Enuclear201617 6

ENERGÍA NUCLEAR
REV 06. 2016/17. I
Por Fco. Villafranca Gracia. IES Barañáin
(Navarra)

Energía Nuclear. Sumario
 PARTE I. INTRODUCCIÓN A LA ENERGÍA NUCLEAR
 Introducción. Definición
 Conceptos básicos de Física Nuclear
 Constitución del átomo
 Reacciones químicas y nucleares
 Defecto de masa. Fórmula de reacción nuclear
 Reacciones nucleares espontáneas. Radiactividad natural
 Trasmutaciones atómicas artificiales. Radiactividad artificial
 Energía en las reacciones nucleares
 Tipos de reacciones nucleares. Energía nuclear
 Estabilidad nuclear. Energía de enlace
 Reacciones nucleares de interés energético: fisión y fusión nuclear
 Materia fisionable
 Bombas nucleares. Bomba atómica. Bomba de hidrógeno
 Aplicaciones de la energía nuclear (en apuntes)
 Unidades y dosis de reacciones (en apuntes)
2

Energía Nuclear. Sumario
 PARTE II. CENTRALES NUCLEARES (en
apuntes)
 Reactor nuclear
 Combustible nuclear
 Tipos de reactores nucleares
 Reactor rápido
 Funcionamiento de una central nuclear
 Seguridad en una central nuclear
 La energía nuclear en España
3

Energía Nuclear Parte I
 INTRODUCCIÓN A LA ENERGÍA NUCLEAR
4

Energía Nuclear.
Introducción
 Definición: Se entiende por energía nuclear, como la energía
obtenida del núcleo de los átomos. Hay dos formas de
obtenerla.
 Fisión de átomos
 Fusión de átomos
 La física nuclearcomienza con el descubrimiento
de la radiactividad por Henri Becquerel, en 1896.
 Para comprender todo lo que lleva consigo la
energía nuclear, es necesario estudiar el
comportamiento del átomo, y sobre todo, él de
los elementos que hacen posible la obtención de
dicha energía.
5

Energía Nuclear Parte I
 FÍSICA NUCLEAR. CONCEPTOS BÁSICOS
6

Energía Nuclear. El átomo
 Masa atómica y masa atómica relativa de un
átomo
Hay que designar una unidad de medida, frente al gr o
kg, ya que estas eran unidades grandes, p.e. por ejemplo
la masa de un átomo del isótopo más abundante del
oxígeno es 26,5606.10-27 kg. Por ello se estableció la
uma (unidad de masa atómica).
Al principio la uma, fue la masa del átomo de hidrógeno
( 1p, 1e-), por ser el mas simple: así el helio tendría 4
uma (2p +2n), el carbono 12 uma, etc., hubiese sido todo
muy sencillo, pero….
•La masa del protón es diferente a la del neutrón, y
también el electrón tiene una pequeña aportación a la
masa del átomo.
•Por otro lado existe la cuestión de isótopos, mezcla
real del elemento en la naturaleza (masas diferentes e
igual número atómico).
•Y también hay que relacionar las uma con la masa en gr,
por todo esto aparece el concepto at-gr, mol-gr o d mol,
que se relaciona con los gr y el nº de Avogadro: 6,02 x
10 23
átomos o moléculas en un mol o átomo-gr, de
cualquier sustancia.
7

 Masa atómica relativa de un átomo
Mas tarde fue el elemento patrón el O-16 y desde el año
1962, según la IUPAC es el C-12.
Recordamos: La uma se define como 1/12 parte de la
masa de un átomo de C-12 (12 uma), 1/12 (6+6) = 1 uma
Teniendo en cuenta el número N (Avogrado), 12 gr de C-
12 contienen 6,023 x 1023
átomos: Esta es la definición de
un at-gr = gr de sustancia / masa atómica (en gr), es decir
un átomo-gr de C12, pesa 12 gr, y tiene N átomos
Y también aplicado a mol-gr = gr de sustancia/ masa
molecular de la sustancia
at-gr de C12= 12gr de sustancia/12gr; Avogadro= 6,02 x
10 23
átomos, igual a un mol de elementos
El carbono se encuentra en la naturaleza y está formado
por tres elementos (isótopos), repartidos de la siguiente
forma:
C12 abunda en el 98,93 %) y el C13 en el 1,07 %
8
1
0n + 14
7N → 14
6C + 1
1H

 Masa atómica relativa de un átomo
Además de estos dos isótopos estables, se conocen
diversos isótopos inestables (que se descomponen
radioactivamente), desde el 8
C hasta el22
C. De todos
ellos, debido a que es el único que podemos encontrar en
la naturaleza, destaca el isótopo 14
C. 14 uma ( 6 p + 8 n)
Así que la masa atómica relativa o masa atómica
ponderada del carbono será: 12,0107 uma
(12 x 98,93 %) + (13 x 1,07 %) /100 = 12,0107 uma
Significa que el elemento carbono posee una masa
12,0107 veces superior 1/12 del átomo del C-12
Cuando se hacen problemas de química se elige como
masa atómica de un elemento un número entero en este
caso 12 uma, esto está referido a la escala química.
Si se trata de la energía nuclear tendremos que escoger
la media ponderada, esto está referido a la escala física.
9

 Constitución: p.e, átomo de oxígeno
Núcleo: protones (p, +) y neutrones(n, 0),
llamados nucleones
Corteza. nube electrónica (e,-)
Masa del protón: 1,6725x 10 -24
gr
Masa del neutrón: 1,674x 10 -24
gr
Masa del electrón: 9,11 x 10 -28
gr, 1837 veces
menor que la de un protón o de un neutrón
Nº másico= p + n = A= 8 + 8 = 16
Nº atómico= p (protones), determina el
elemento químico = Z
O
16, número másico, A
8, número atómico, Z
A = Z + n
10

Energía Nuclear Reacciones
químicas y nucleares
 En una reacción química la masa de los cuerpos
que reaccionan es igual a las suma de los cuerpos
que resultan de la reacción
Na OH + SO4 H2 ----- SO4 H Na + H2O
40 + 98 ----- 120 + 18
El “defecto de masa” correspondiente a la energía liberada es
despreciable
En una reacción nuclear se da siempre un defecto de masa que
parece contradecir la ley de Lavoisier
3 1
H1 + 4 1
n0 ------- 7
Li3
3 1
H1 = 3 x 1,007596 = 3,022788
4 1
n0 = 4 x 1,008982 = 4,035928 ; total= 7,058716
7
Li3 = 7,01822;
∆ m = 0,040496 uma, esta masa se transforma en energía según la
fórmula de Einstein; E = m . c2
, m=masa en Kg, c la velocidad de la luz , E
11

químicas y nucleares
 Ley de conservación de la masa-energía
 “En toda reacción química ( química y nuclear) la
suma de la masa de la materia y la energía que
intervienen en la misma es una cantidad constante.”
Esta ley hace desaparecer la aparente contradicción respecto al enunciado
de Lavoisier.
12

Energía Nuclear Defecto de
masa. Fórmula de una reacción nuclear
 El defecto demasao defecto másico proviene de la
masa transformada en energía durante una
reacción de acuerdo con la ecuación de Einstein
 E = m c2
,
 m: masa en Kg, c: velocidad de la luz en m/s, E: energía
de enlace o de empaquetamiento, en J
En las reacciones nucleares es frecuente utilizar como unidad de
energía el electrón-voltio (eV).
eV: representa la energía cinética que adquiere un e-, al estar
sometido en el vacio a la acción del campo eléctrico de un voltio.
E= P. t = potencia x tiempo; P=V. I ; E= V. I .t ; I= q / t
E= q . V = culombios x voltios = julios.
Recordemos: 1 culombio es 6,3 x 10 18
e-
1e = 1,6 x 10 -19
c
eV= q(e-) 1V= 1,6 x 10 -19
c .1vol = 1,6 x 10 -19
J
El eV, es una unidad pequeñas se emplea el mega eV (M eV)
13

 La uma es una unidad muy pequeña para que se
utilice en la práctica. En los laboratorios y en la
industria se utilizan múltiplos de la uma.
Para poder relacionar la masa de un átomo en unidad de masa
atómica con el masa en gramos de un elemento o sustancia se
introdujo el concepto de mol, que hace coincidir el valor numérico
de ambos.
Mol es la cantidad de materia que contiene el número de Avogadro, N de
partículas unitarias o entidades fundamentales (ya sean éstas moléculas,
átomos, iones, electrones, etc.).
N = 6,02 x 10 23
entidades elementales
Un mol de cualquier sustancia contiene N partículas. Un mol es la masa
molecular de esa sustancia expresada en gramos.
Nº de Mol = g/Mf siendo Mf la masa molecular expresada en g/mol. Un átomo
de C-12 tiene o pesa 12 uma
p.e, un 1 mol de C-12, tendrá una masa 12 g y tendrá N átomos.
14

 La equivalencia entre masa y uma será:
Nº de Mol = g/Mf
Mf masa molecular expresada en g/mol., p.e la masa molecular del
C-12 es las uma expresadas en gramos, es decir 12 g. Un átomo
de C-12= tiene 12 uma
Así que, un mol de C-12, habrá 12 g y tendrá N átomos
nº =12g/12 (g/mol).
Si una masa de 12 g de C-12 hay N átomos, 1átomo de C-12
tendrá una masa de 12g/N
Como un átomo tiene 12 uma, una uma tendrá una masa 12 veces
menor que (12g/N) es decir 1/N = 1,66 x 10 -24
g.= uma y 1g = N
uma.
1 uma = 1/12 x 12g/N = 1,66 x 10 -24
g (masa asignada a la uma)
.
15

 La equivalencia entre masa y energía será:
Nº de Mol = g/Mf
En la diapositiva anterior hemos deducido que una uma tiene una
masa de 1,66 x 10 -24 g = 1,66 x 10 -27 Kg
Si aplicamos la ecuación de Einstein para una uma
E = 1 uma x c2
= m c2
= 1,66 x 10 -27
Kg (3 . 10 8
m/s) 2
=
=1,49 x 10 -10
J;
Si un eV= 1,6 x 10 -19
J
E = 1 uma x c2
= 1,49 x 10 -10
J x eV /1,6 x 10 -19
J = 931,2 MeV
El factor de conversión de la unidad de masa atómica uma a
unidades de energía (MeV) es :
C2
= 931,2 MeV/uma
16

 La fórmula de una reacción nuclear corresponde
a la ecuación química:
 X + x B + b + Energía
 X, núcleo inicial
 x, partícula que bombardea
 B, núcleo final
 b, partículas emitidas
 E, energía producida por la masa
desintegrada
17

Energía Nuclear
Radiactividad natural
 Ciertos isótopos tienen la propiedad de emitir
partículas características, debido a su
inestabilidad nuclear. El núcleo se transforma en
él de otro elemento. Los elementos que poseen
esta propiedad se llaman radiactivos y al
fenómeno de e m isió n e spo ntáne a de partículas o
radiaciones, radiactividad natural.
Este fenómeno fue descubierto por H. Becquerel, estudiando la luz emitida
por ciertas sustancias (fluorescencia) de ciertas salas de uranio, entre ellas
el sulfato de potasio-uranio después de iluminarlas con luz solar.
.
18

Energía Nuclear
 Descubrimiento por casualidad:
 Un día nublado de febrero de 1896, guardó en un cajón las sales de
uranio, junto con una placa fotográfica protegida con un papel grueso de
color negro.
 Unos días después comprobó que la película fotográfica estaba velada.
Como no había estado expuesta a la luz solar, pensó que, la única
explicación lógica era que la sal de uranio emitía algún tipo de radiación
invisible capaz de impresionar la placa fotográfica.
 Más tarde comprobó que otros compuestos de uranio tenían el mismo
comportamiento, por lo tanto, el uranio era el causante de esta radiación.
 Desde entonces a esta radiación invisible y penetrante , capaz de velar
las placas fotográficas, ionizar gases (Rutherford) y atravesar cuerpos
opacos se le denomina radiactividad.
 Dos años más tarde los esposos Curie (la polaca María Sklodowska –
Curie y Pedro Curie) descubrieron dos nuevos elementos mas
radiactivos, el polonio y el radio. **
19

Energía Nuclear
 Descubrimiento por casualidad:
 Hoy en día se conocen mas de 40 elementos radiactivos que
espontáneamente se de desintegran emitiendo partículas α, β
y rayos γ. Son los elementos más pesados a partir del
número atómico 83 de la tabla periódica. El elemento más
pesado es el Uranio que tiene 235,02 uma y 92 de número
atómico y como curiosidad,
 Y como curiosidad. El elemento químico más pesado, creado
en la forma artificial sería el Ununoctio. Su número atómico
es 118, con un peso estimado de 314 umas.
20

Energía Nuclear
 Actividad de una sustancia radiactiva
Radio, Ra
21
Núcleos de Helio
(ionizado)
α , 2He 4
β, -1e0
γ
Ondas
electromagnéticas
de alta frecuencia

22
 Actividad de una sustancia radiactiva **

Energía Nuclear
 Actividad de una sustancia
radiactiva
 La radiación alfa (a):
Está formada por núcleos del isótopo
4 del helio, es decir, está constituida
por una radiación corpuscular, en la
que cada corpúsculo está formado por
dos protones y dos neutrones. Son
capaces de recorrer varios cm en el
aire (su velocidad de salida es de
16.000 Km/s). Es desviada por
campos eléctricos y magnéticos. Son
poco penetrantes aunque muy
ionizantes. Pueden ser absorbidas por
una hoja de papel o por la propia piel
humana
 α , 2He 4
, Z= 2 p, A= 4(p+n)
A= Z + N; N= A-Z = 4-2= 2
neutrones
 ZX A
Z-2 YA-4
+ 2He 4
1ª Ley de los desplazamientos radiactivos
23

Energía Nuclear
 La radiación beta (β):
Está constituida por electrones, lo que
significa que es también de naturaleza
corpuscular, en la que cada corpúsculo tiene
una masa atómica 1/1800, aproximadamente,
y una carga de 1 unidad negativa. A diferencia
del caso anterior, el electrón emergente no
existía anteriormente en el núcleo sino que
procede de la transformación de un neutrón
en un protón, que queda dentro del núcleo, y
el electrón que es eyectado. La velocidad es
próxima a la de luz, su masa es mucho menor
y por ello tienen poco poder de penetración,
(más que las partículas alfa) siendo detenidas
por una hoja de metal, de algunos mm, o por
una lámina de madera, de algunos cm de
espesor.
 β, -1e0
 ZX A
Z+1 Y A
+ -1e 02ª Ley de los desplazamientos radiactivos Interpretación
24

Energía Nuclear
 La radiación gamma (γ): Son ondas
electromagnéticas de muy alta
frecuencia (semejantes a la luz ordinaria,
aunque de menor frecuencia)superiores a
los rayos X. Se emiten cuando un núcleo
excitado vuelve a su estado fundamental
(de menor energía). La emisión gamma
acompaña casi siempre a las emisiones
alfa y beta. Tienen un poderde
penetración mucho mayor que las
partículas alfa y beta. Atraviesa con
facilidad el cuerpo humano. En el aire
recorre centenares de metros. Se trata de
una radiación altamente peligrosa. Se
detiene con paredes de plomo de varios
cm de espesor. Gran utilización en las
radiografías de los metales (soldaduras,
etc.,).
25

Energía Nuclear
 Los neutrones(n): Se producen en ciertas
reacciones nucleares. Tiene un poder de
penetración muy alto y resulta muy
peligroso para el cuerpo humano (bomba
de neutrones). Son fácilmente frenados
por el agua. Tienen una uma y carga
eléctrica nula. No son desviados por los
campos eléctricos ni magnéticos y no
ionizan las sustancias que atraviesan.
 Los neutrones se encuentran en todos
los elementos (menos en el hidrógeno
ordinario)
 Desintegración del neutrón
0n1
1p1
+ -1 e0
+ √ (antineutrino)
Interpretación
26

Energía Nuclear
Todas las radiaciones ingeridas resultan peligrosas para las células
del cuerpo humano , ya que provocan una transmutación en el núcleo
de nuestras células
27

Energía Nuclear
 Propiedades de las radiaciones
 Ionización del aire próximo al cuerpo radiactivo
 Excitación de la fluorescencia y fosforescencia
 Impresionan las placas fotográficas aunque están protegidas con
papel negro
 La radiactividad desprende energía calorífica
 Efectos de las radiaciones
 Alteración del núcleo de las células de los seres vivos
 Recibimos radiaciones procedentes del sol, de materiales
radiactivos que se encuentran en la naturaleza, de instrumentos:
TV, ordenadores, campos electromagnéticos, etc.
 Protección
 Reducir el tiempo de exposición
 Aumentar la distancia a la fuente radiactiva
 Utilizar protecciones normalizadas
28

Energía Nuclear
 Resumiendo
 La radiación natural se produce espontáneamente en
determinados materiales existentes en la naturaleza
 Hay un porcentaje, por suerte bajo, de núcleos
inestables y emiten radiaciones hasta que encuentran
su configuración estable
 El Sol nos envía radiaciones, pero en el mismo suelo,
las piedras, los materiales de construcción, el aire, el
agua, los alimentos, etc., poseen una pequeñísima
parte de átomos inestables que emiten radiaciones
 La radiación natural, depende de muchos factores:
 Localización de geográfica
 Altura sobre el nivel del mar
 Condiciones de insolación
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ENERGÍA NUCLEAR
REV 06. 2016/17. II
Por Fco. Villafranca Gracia. IES Barañáin
(Navarra)

Energía Nuclear
Radiactividad artificial
 Transmutaciones atómicas artificiales: son las
transformaciones que tienen lugar cuando son
bombardeados los núcleos atómicos con diversas
partículas
 La primera transmutación artificial por Rutherford en 1919
2He4
+ 7N14
8O17
+ 1H1
 En ocasiones una partícula puede convertir un núcleo
estable en otro radiactivo. El fenómeno se denomina
radiactividad artificial
 La radiactividad artificial: descubierta por los esposos Jean
Frederich Joliot e Irene Curie (hija de M. Curie) en 1934,
les supuso el premio Nobel de Química.
 2He4
+ 13Al27
* 15 P30
+ 0n1
 * 15 P30
14Si 30
+ 0e1
(electrón positivo)
31

Energía Nuclear Energía en
las reacciones nucleares
 En las reacciones nucleares el nº atómico y el número
másico se conservan, no así su masa:
 La primera transmutación artificial por Rutherford en 1919
2He4
+ 7N14
8O17
+ 1H1
2He4
= 4,00260; 7N14
= 14,00307; ∑1)= 18,00567 uma
8O17
= 16,99913; 1H1
= 1,00783; ∑2)= 18,00696 uma
∑2) >∑1) exceso de masa en los productos finales: 0,00129
uma; 0,00129 x 931,2 MeV=1,201248 MeV por átomo,
cantidad de energía absorbida por la reacción.
 Otra reacción
1H1
+ 3Li7
2He4
+ 2He4
;
∑1)=1,00783+7,01601; ∑2)= 8,00520 ; la disminución de
masa es 0,1864 uma, igual a 17,3 MeV por átomo, en este
32

Energía Nuclear Tipos de
reacciones nucleares
 Transmutaciones
 Con partículas α
1Be9
+ 2He4
6C12
+ 0n1
Chadwick, 1932 descubre el
neutrón
 Con protones (1H1
)
3Li7
+ 1H1
22He4
9F19
+ 1H1
8O16
+2He4
 Con deutones (1H2
)
1H2
+ 1H2
…..otra y la final es 1H3
+1H1
fundamento de la
bomba de hidrógeno
33

 Transmutaciones. ¿Por qué neutrones lentos?
 Con neutrones (0n1
)
 Las fuerzas nucleares interactivas fuertes mantienen la estabilidad del
núcleo.
 Son fuerzas de atracción fuerte y de corto alcance, al nivel de la unidad de
fermi (10 -15
m).
 Si un neutrón pasa cerca del núcleo, si la distancia no es la idónea será muy
difícil atraparlo.
 Y si además va demasiado rápido, aunque la fuerza nuclear lo tenga a su
alcance, no tendrá tiempo para atraparlo. Dicho neutrón se escapará con
facilidad.
 Si un neutrón, podrá permanecer más tiempo en las cercanías del núcleo, y
podrá ser atrapado más fácil.
 Si un neutrón alcanza un núcleo masivo, pueden ocurrir dos casos:
 Que produzca escisión del átomo
 Que rebote, con la misma energía que con la que llega, así el núcleo
masivo no se entera.
 Si un neutrón choca con átomos ligeros, como el agua, se verá frenado,
porque cede parte de su energía, después de varios choques, adquirirá la
velocidad propia de la temperatura a la que está el material, de ahí que se
llamen “neutrones térmicos”
34

 Transmutaciones
)
 Una reacción importante con neutrones intermedios o
neutrones de resonancia (rápidos) es el bombardeo del U
238.
0n1
+ 92U238
92U239
92U239
93Np239
+ β
Al cabo de 2 días, 93Np239
94Pu239
+ β
 El descubrimiento del Pu tiene mucha importancia porque
se obtiene del isótopo más abundante del uranio U 238
(99,3% del uranio natural). El Pu 239 puede sufrir
escisiones con facilidad capturando neutrones lentos o
térmicos y liberando gran cantidad de energía.
35

 Capturas de neutrones lentos o térmicos
)
 Casi todos los elementos al ser bombardeados por
neutrones, producen núcleos nuevos por captura del
neutrón. Con frecuencia el nuevo núcleo es radiactivo. Es
más fácil capturar o absorber neutrones que no otras
partículas, ya que estos no poseen carga eléctrica y
llegan con mas facilidad al núcleo y son capturados por
las fuerzas nucleares.
 Los neutrones lentos (o térmicos) son capturados mucho
más fácilmente que los rápidos. Para obtenerlos se
utilizan sustancias llamadas moderadores, hacen
disminuir su velocidad por medio de choques elásticos,
con átomos de pequeña masa, como el hidrógeno,
deuterio, carbón, etc. Se usan corrientemente como
moderadores, el agua pesada, el agua, la parafina, el
grafito, etc.
36

Energía Nuclear Estabilidad
nuclear
 Energía de enlace
 La energía de enlace es la que mantiene unidos a los
nucleones (protones y neutrones)
 ¿ Pero… que es la energía de enlace ?
Supongamos que sumamos por separado las masas de cada
una de las partículas que componen un núcleo atómico y lo
comparamos con la masa total del núcleo utilizando un
espectrómetro de masas.
El valor obtenido experimentalmente será menor que el
obtenido en el primer caso.
A esta diferencia de masa se le denomina defecto de masa.
Este defecto de masa se transforma en energía según la
ecuación E= ∆mc2
que es la energía de enlace que
mantiene unidos los nucleones, es la energía que se libera
cuando los nucleones se unen para formar el núcleo, o
también, la energía necesaria para romper el núcleo
37

nuclear
 Energía de enlace
 Los nucleones, nombre que se les designa a los protones y
neutrones, están fuertemente unidos por fuerzas que no son de
naturaleza eléctrica, porque los neutrones carecen de cargas, ni
tampoco gravitatoria, porque es una fuerza débil, esas fuerzas
internas que se producen en el núcleo son las que mantienen la
estabilidad nuclear.
 La inestabilidad se produce cuando un núcleo de un isótopo
estable contiene mas cantidad de neutrones (n) que de protones
(p). En el uranio cuando la relación n/p > 1,6 se desintegran
emitiendo un e- (un neutrón se transforma en un protón).
 El defecto de masa representa también la energía de enlace que
se mide en eV o en unidades de masa atómica (uma).
Δm = (Z mH+(A-Z) mn ) – M
mH: masa del protón, mn : masa del neutrón
A, Z y M, parámetros del átomo; M= masa atómica
( Δm / nº nucleones) 931,2 MeV/uma = MeV/nucleón = Energía de
enlace
38

nuclear
 Energía de enlace. Ejemplo
 Calculemos el defecto de masa y la energía de enlace
por nucleón en el cobalto 27Co 59
cuya masa atómica es
58,95182. Masa del protón 1,008142 uma; masa del
neutrón 1,008982
a) Δm = (Z mH+(A-Z) mn ) – M = [27x 1,008142+(59-27) x
1,008982]- 58,95182 = 0,55544 uma
b) La energía de enlace por nucleón (W)
(0,55544 uma x 931,2 MeV/uma)/59 = 8,7 MeV/nucleón
39

nucleares de interés energético
 Fisión
 Se entiende por fisión nuclear, la obtención de dos
átomos ligeros y energía al bombardear con neutrones
un átomo pesado como p.e. el U-235. Este se hace
inestable se parte en dos átomos ligeros, libera energía
y emite de 2 a 3 neutrones capaces de seguir la
reacción, que si no se controla se produce la reacción
en cadena, hasta el rompimiento de los átomos de U-
235 presentes. Los núcleos obtenidos son más
estables, puesto que la energía de enlace por nucleón
es mayor.
 El aprovechamiento de la enorme cantidad de energía
liberada en estas reacciones en cadena, perfectamente
controlada, a dado origen a las pilas atómicas o
reactores nucleares, para la obtención de energía
eléctrica y también, en el ámbito militar (bombas
atómicas).
40

 Fisión
 235
U + on1
----> 142
Ba56 + 91
Kr36 + 3 neutrones + 210 MeV (por
átomo)
 Existen otras reacciones , con la obtención de
similar energía, pero núcleos finales diferentes.
41

 Fisión
 El 235 U puede partirse con neutrones lentos (1/40 eV) que
corresponde a la energía térmica del media ambiente a T=
300ºK. Por captura del neutrón dichos núcleos se hacen
inestables, y tras oscilar durante un tiempo, se rompen en dos
fragmentos de masas parecidas y unos cuantos neutrones
sueltos.
 235
U92 + on1
----> 236*
U92 ----->142
Ba56 + 91
Kr36 + 31
n0 + E
235
U92 + on1
----> 236*
U92 ----->140
Xe54 + 94
Sr38 + 21
n0 + E
Así sucesivamente........ Se obtiene una media aproximada de.......
235
U92 ----->135
X+ 95
Y + (2-3)1
n0 + 208 MeV
La energía de enlace por nucleón del U 235 es de 7MeV,
mientras que en los núcleos fragmentados es de 8 MeV/nucleón,
esto supone 1MeV desprendido, que multiplicado por
aproximadamente 2x 10 2
nucleones del núcleo fisonado (~200);
200 x 1MeV= 0,2 GeV
42

 Fisión de 1grde U 235
 Si la fisión de 1átomo de U-235, produce un promedio de 208
MeV por átomo fisionado, si hacemos cálculos, la fisión de 1 gr
de U-235 producirá una energía aproximada de : [208 x
(1gr/235 uma)x N], siendo N el nº de Avogadro , de 8,52 x 10 10
J.
Esto equivale aproximadamente a tener conectadas 300.000
lámparas de 75 Wdurante 24 horas.
43

Energía Nuclear Materia
fisionable y fértil
 El uranio natural se encuentra en la naturaleza en forma de
isótopos: U-238 (99,275% ), U-235 ( 0,72%), U-234
(0,05% ). En estado natural, el U-235 se fisiona al capturar
neutrones del ambiente, pero debido a su baja concentración,
no se produce la reacción en cadena. También los neutrones
resultantes de la escisión son captados por el U-238, que
tampoco sufre la reacción encadena.
En los yacimientos de uranio, las rocas están calientes,
debido a la emisión espontánea de neutrones y, para que se
produzca la reacción en cadena, se necesita una
concentración mayorde U-235, lo que se llama uranio
enriquecido. El enriquecimiento del U-235, es un proceso
caro y complicado.
El U-238, puedes ser fisionado por neutrones lentos
intermedios o rápidos, pero no se consigue suficiente energía
para producir electricidad o el rendimiento es bajo y no
compensa, aunque, como hemos dicho anteriormente,
conseguimos Pu-239, que es fisionable y rentable en un
44

 El aprovechamiento de la enorme cantidad de energía
liberada en estas reacciones perfectamente ha dado
lugar a:
 Reactores nucleares o pilas atómicas
 Fuente de energía eléctrica y motriz en submarinos,
petroleros, mercantes, trasatlánticos, etc.
 En la reacción de fisión existe un parámetro llamado
tamaño crítico, por debajo de él la reacción no puede
funcionar, y por en encima de él la reacción es
multiplicativa y se desarrolla de forma explosiva.
 La masa crítica explosiva es de 16 Kg, para el plutonio
239 y de 48 Kg para el uranio 235
45

 Núcleos fisionables
 Son los que pueden experimentar fisión nuclear, son el
U-235, (existente en la naturaleza) y el Pu-239 y el U-
233, que se obtienen artificialmente a partir del U-238 y
del Th-232, respectivamente.
 Material fértil
 Los núcleos que, como el U-238 y el Th-232 dan origen
a productos fisionables (con neutrones térmicos) se
conocen como material fértil
46

 Fusión
 La liberación de energía no solo tiene lugar en la fisión de los
núcleos, si no que se libera también, y en cantidad mucho
mayor, cuando se fusionan dos núcleos ligeros para formar
núcleos más pesados.
 Para que la fusión nuclear se realice tienen que chocar los
átomos con gran violencia, es decir, su energía cinética tiene
que ser muy elevada. La temperatura necesaria para que los
átomos alcancen esa energía es de varios millones de ºC.
Teniendo en cuenta estas premisas, podremos vencer las
repulsiones culombianas.
 Actualmente, no se utiliza la energía de fusión para obtener
energía eléctrica. Su uso a corto plazo parece imposible. Solo
se ha obtenido grandes cantidades de energía a gran escala
por fusión incontrolada mediante bombas de hidrógeno, en
ellas la energía necesaria para iniciar la fusión la suministra
una bomba atómica.
47

 Fusión: Átomo y molécula del hidrógeno
 El hidrógeno ordinario es una mezcla de dos isótopos:
 El hidrógeno ligero o protio 1H1
(99,98%), y el hidrógeno pesado
o deuterio 1H2
, además de éstos se fabrica artificialmente un
tercer isótopo, el tritio 1H3
.
 Del primero de estos isótopos se forma en el agua ordinaria,
H2O; del segundo resulta otra clase de agua, el agua pesada,
D2O, y el tritio parece ser especialmente abundante en las
estrellas y se hace intervenir en la llamada bomba de hidrógeno
o bomba H.
 El hidrógeno ligero se obtiene del agua ordinaria, por
electrólisis. Hay otras formas de obtención. El hidrógeno es
unas14 veces y media menos pesado que el aire.
 El agua pesada se obtiene en plantas de fabricación:
 Intercambio químico
 Destilación
 Electrólisis
 Su densidad es de 1,1056 gr/ml, un 10,79% más que el agua
ordinaria
48

 Fusión: Átomo y molécula del hidrógeno
 El tritio está en las estrellas y también se obtiene por
procedimientos artificiales:
 1
3H 2
3He + β elemento radiactivo (e- lento)
 El tritio se forma constantemente como consecuencia
del impacto de los rayos cósmicos en átomos de las
capas altas de la atmósfera:
 7
14N + 1
0n 6
12C + 1
3T + 1
n0 + E obtención natural
 3
6 Li + 1
0n 1
3H +2
4He + 1
n0 + E obtención artificial
49

 Fusión
2
H 1+ 3
H 1
4
He2 + 1
n0 +17,6 MeV
50

 ¿ Como se logra la fusión ?
1. En las estrellas de manera natural, p.e, en el SOL
2. Con la bomba de H, pero utilizando una bomba atómica
3. En investigación
Para conseguir la fusión se necesitan temperaturas
elevadísimas, hasta llegar a un gas formado de cationes
y electrones, llamado plasma. Hay que confinar el
plasma en recipientes sin paredes, pues ningún
material, sería capaz de aguantar las altas
temperaturas.
 Confinamiento magnético

2
H 1+ 3
H 1
4
He2 + 1
n0 + 17,6 MeV
51

 Ventajas de la fusión
 La energía de fusión presentará indudables
ventajas
1. La materia prima es abundante y barata, en el agua del
mar hay suficiente deuterio para abastecer a la
humanidad durante miles de millones de años.
2. El tritio se obtiene bombardeando Li con los neutrones
procedentes de la fusión. El Li está en rocas volcánicas
y sales naturales (Chile, Bolivia, California y Nevada)
3. Los reactores de fusión presentarán menos problemas
con los residuos y serán mas seguros
3
6 Li + 1
0n 1
3H +2
4He + 1
n0 + 4,8 MeV
2
H 1+ 2
H 1
3
He2 + 1
n0 + 3,25 MeV
2
H 1+ 3
H 1
4
He2 + 1
n0 + 17,6 MeV
52

 Reacciones termonucleares
 La liberación de energía en el Sol tiene lugar
gracias a las reacciones, conocidas con el nombre
de cadena protón-protón que se cree que tienen
lugar en el interior del Sol de fusión presentará
indudables ventajas. Las reacciones son
1. 1H1
+1H1
1H2
+ 1e0,
positrón (2 veces)
2. 1H2
+1H1
2He4
+ γ (2 veces)
3. 2He3
+ 2He3
2He4
+1H1
Los positrones durante el primer paso de la cadena
protón- protón, chocan con electrones; tienen lugar
una aniquilación y su energía se convierte en
radiación γ.
53

 Balance de la cadena protón-protón
1. 1H1
+1H1
1H2
+ 1e0,
positrón (2 veces)
2. 1H1
+1H1
1H2
+ 1e0
3. 1H2
+1H1
2He4
+ γ (2 veces)
4. 1H2
+1H1
2He4
+ γ
5. 2He3
+ 2He3
2He4
+1H1
+1H1
4 1H1
2He4
+ γ
1H1
=1,00783 uma, y 2He4
=4,00260
Masa en reposo de 4 átomos de hidrógeno= 4,03132 u
Masa en reposo de 1 átomo de helio = 4,00260
Hay una diferencia de masa de 0,02872 uma = 26,7 MeV
54

 Cadena protón-protón
 En el Sol, un gramo de su masa contiene alrededor de 2x10 23
protones
 Si se consumiesen todos esos protones, la energía liberada sería
de 55.000 Kw x h.
 Si continuará radiando en la proporción actual, tardaría alrededor
de 30.000 mil millones de años en agotar esa previsión de
protones.
 Se necesitan temperaturas de millones de grados para iniciar la
cadena protón-protón.
 Cuando se alcanza una temperatura elevada se verifican las
reacciones, se libera calor y la presión de la radiación resultante
evita una contracción posterior
 Solo cuando la mayor parte del hidrógeno se convierte en helio,
tendrá lugar una contracción posterior, produciéndose el
consiguiente incremento de temperatura, y seguir produciendo
mas reacciones que liberando energía.
55

Energía Nuclear
Aplicaciones de la energía nuclear en el ámbito
militar
 Bomba atómica o bomba A
 Un promedio de todas las reacciones nucleares que se
produce en la bomba atómica es:
235
U92 + on1
----> 236*
U92 ----->142
Ba56 + 91
Kr36 + 31
n0 + 200 MeV
 Su funcionamiento consiste en producir una reacción en
cadena incontrolable.
 Para que estalle la bomba se necesitan disponer de:
 Núcleos fisibles con una masa supercrítica: >16 Kg (Pu-239) y
>48 Kg(U-235) (núcleos fisibles)
 La masa de uranio o plutonio se concentra formando un masa
de alta densidad, provocando la reacción en cadena, por el
choque de los neutrones rápidos con los átomos de uranio, p.e,
conseguir que en el inicio de la explosión, seamos capaces de
unir las masas subcríticas (inicialmente separadas) en otra
masa de alta densidad, consiguiendo una masa supercrítica que
comienza a fisionarse por si misma. Al mismo tiempo se le
añaden otros elementos que potencian (le dan más fuerza) la
creación de neutrones libres acelerando la reacción en cadena y
provocando la explosión.
56

Energía Nuclear
militar
 Un promedio de todas las reacciones nucleares que se produce en la bomba
atómica es:
235
U92 + on1
----> 236*
U92 ----->142
Ba56 + 91
Kr36 + 31
n0 + 200 MeV
 Para hacer una bomba atómica, es necesario comprimir el uranio o
plutonio de manera que su masa crítica se convierta en supercrítica
causando una reacción en cadena incontrolada. Esta reacción ocurre en
millonésimas de segundo, produciendo una gran explosión de perímetro
limitado por la cantidad de energía liberada en un instante.
 La compresión necesaria para convertir la masa crítica en supercrítica se
consigue haciendo estallar una carga de TNT (dinamita)., que se coloca
alrededor del uranio o plutonio.
 Al quedar comprimido el material fisionable por la explosión del TNT ,
los neutrones que se liberan no tienen adonde escapar y chocan con la
mayoría de todos los átomos, produciendo la reacción en cadena
incontrolada .
 En una fracción de segundo, se produce la reacción en cadena
incontrola, produciéndose una enorme explosíon atómica.
57

Energía Nuclear
militar
 Un promedio de todas las reacciones nucleares que se produce en la bomba
atómica es:
235
U92 + on1
----> 236*
U92 ----->142
Ba56 + 91
Kr36 + 31
n0 + 200 MeV
 Para hacer una bomba atómica, es necesario comprimir el uranio o
plutonio de manera que su masa crítica se convierta en supercrítica
causando una reacción en cadena incontrolada. Esta reacción ocurre en
millonésimas de segundo, produciendo una gran explosión de perímetro
limitado por la cantidad de energía liberada en un instante.
 La compresión necesaria para convertir la masa crítica en supercrítica se
consigue haciendo estallar una carga de TNT (dinamita)., que se coloca
alrededor del uranio o plutonio.
 Al quedar comprimido el material fisionable por la explosión del TNT ,
los neutrones que se liberan no tienen adonde escapar y chocan con la
mayoría de todos los átomos, produciendo la reacción en cadena
incontrolada .
 En una fracción de segundo, se produce la reacción en cadena
incontrola, produciéndose una enorme explosíon atómica.
 Como dato anecdótico, para destruir Hiroshima solo se convirtió en
energía un gramo de masa (aunque toda la bomba pesara 4 T. Su
potencia fué de 12,5 Kilotones equivalente a 12.500 T de TNT.
58

Energía Nuclear
militar
 Un promedio de todas las reacciones nucleares que se
produce en la bomba atómica es:
235
U92 + on1
----> 236*
U92 ----->142
Ba56 + 91
Kr36 + 31
n0 + 200 MeV
 El kilotón es la unidad empleada en el ámbito militar para
cuantificar la potencia de armas nucleares. Así un arma
nuclear de un kilotón tendría el mismo poder explosivo
(descontando otros efectos laterales) que una bomba
convencional con mil (kilo) toneladas (ton) del explosivo
trinitrotolueno (TNT). Las bombas atómicas lanzadas
sobre Hiroshima y Nagasaki en 1945 tenían una potencia
equivalente a unas 20.000 toneladas de TNT, es decir,
unos 20 kilotones. Las cabezas nucleares con potencias
de dicho orden se conocen como arm as nucle are s
tácticas, en contraposición a las arm as nucle are s
e straté g icas con potencias de megatones.
 1 Kt = 4,184×1012
J ; 1Mt= 4,184x 10 15
J .
59

Energía Nuclear
militar
 Bomba H(hidrógeno), bomba de fusión
 Una de las reacciones que pueden dan lugar a una bomba H
promedio de todas las reacciones nucleares que se produce en
la bomba atómica es:
2
H1 + 1H3
----->4
He2 + 17,6 MeV
 Se necesita una bomba de fisíon para generar calor y poder
fusionarse los isótopos: 20.000 eV para que se verifique la
colisión de núcleos, para ello se necesita una temperatura
superior a los 100 millones de ºC.
 La bomba de hidrógeno se puede construir con la cantidad
de deuterio y tritio que se desee.
 La potencia es 50 veces más que una bomba de fisión.
 La primera bomba de este tipo se hizo estallar en Eniwetok
(atolón de las Islas Marshall) el 1 de noviembre de 1952 con
marcados efectos en el ecosistema de la región. La
temperatura alcanzada en la «zona cero» (lugar de la
explosión) fue de más de 15 millones de grados, tan caliente
como el núcleo del Sol, por unos cuantos segundos.
Literalmente vaporizó dicha isla. La potencia desarrollada fue
de 10,4 Mt. Más tarde se desarrolló otra de 15 Mt.
60

Energía Nuclear
militar
 Efectos de una explosión nuclear
 Radiación inicial: debido a la alta temperatura y presión se emite
radiación en todas las direcciones, α,β,γ, X, n, ..
 Pulso electromagnético: se destruyen todas las infraestructuras
eléctricas y electrónicas, debido a la intensa actividad de los rayos gamma
 Pulso térmico: al expandirse la bola de plasma, el aire absorbe energía
en forma de rayos X, y la irradia en forma de una luz cegadora , produciendo
quemaduras y cegueras, incluso a unos 20 Km de distancia. La alta
temperatura que se produce tiende a igualarse a la temperatura ambiente,
produciendo efectos devastadores. La presión que adquiere la explosión es
de miles de atmosferas, como tiende igualarse a la presión atmosférica,
origina un frente de presión que destruye cuanto encuentra en un cierto radio
de acción.
 Onda de choque: la rápida expansión de la bola de plasma genera una
onda de choque, como cualquier explosión convencional, pero de una
potencia unas 1000 veces superior. Una bomba de 20 Mt, devastaría todo en
un radio de 20 Km.
 Primera lluvia radiactiva: la elevada temperatura de la explosión
vaporiza todo lo que se encuentra en la bola de plasma, todas se funde con
los materiales radiactivos y se eleva con el hongo, para después precipitar en
forma de cenizas. Esto ocurre a las 24h aproximadamente de la explosión.
61

 Sin terminar el tema, lo que falta en apuntes.
perdonen las molestias
Para el curso próximo se incluirá en la web, todo
lo que falta.
©2010. Fco Villafranca Gracia
Es, profesor de Tecnología del IES Barañáin (Navarra)
62

Enuclear201617 6

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