Radiactividad y fisión nuclear

Radiactividad y fisión nuclear
una reacción en cadena. A cada ciclo de la reacción en cadena se le llama
generación.
En 1896 el físico Henri Becquerel descubrió
La pregunta era ¿cuál es el origen de toda esa energía del núcleo del átomo? Albert
la radiación que emitían los minerales de
Einstein en 1905 propuso una teoría en la que se asevera que la energía y la masa
uranio. En ese mismo año, los estudios de
son diferentes aspectos de lo mismo, y que la relación se puede expresar por la
Pierre y Marie Curie sobre minerales de
ecuación E = mc2, donde E representa la energía, m la masa y c la velocidad de la luz
uranio y torio condujeron al
en el vacío. Esta ecuación indica que la masa se puede transformar en energía, y la
descubrimiento de dos elementos: el
energía en masa; además, expone que una pequeña cantidad de masa puede
polonio y el radio. Estos elementos
transformarse en una enorme cantidad de energía. La velocidad de la luz es
despertaron un gran interés por emitir
cercana a los 300 mil kilómetros por segundo, por lo que si esta cantidad se eleva al
radiaciones muy penetrantes, a semejanza
cuadrado, la energía resultante es verdaderamente asombrosa.
del uranio y el torio. A esta propiedad del
radio y otros elementos inestables, la de
emitir energía en forma de radiación al
desintegrarse, Marie Curie la llamó
"radiactividad".
En 1903, Rutherford y Soddy observaron
que la energía que salía del interior del
átomo era enorme, comparada con la
producida por cambios químicos. Ahora se
Estos experimentos condujeron a la conclusión de que si se lograban desintegrar a
Moderadores
En la mayoría de los reactores en funcionamiento la fisión se realiza por neutrones
térmicos, es decir, de baja energía. Dado que los neutrones que se producen en la
fisión nuclear son neutrones rápidos, los reactores incluyen sustancias
moderadoras con el objeto de reducir la energía cinética de los neutrones hasta
llevarla al orden de magnitud necesario para que puedan producir nuevas fisiones.
Como moderadores se utilizan frecuentemente el grafito, el agua pesada y el agua
ligera.
La Chicago pile 1 de Fermi,
el primer reactor nuclear
Materiales físiles y fértiles
conoce como materiales fértiles. Por
voluntad los núcleos de algunos elementos, sería posible obtener fabulosas
La fisión nuclear se induce al bombardear con neutrones el núcleo de ciertos
ejemplo, el uranio-233 se produce por
cantidades de energía.
átomos de número atómico grande. Todos los núcleos pesados pueden fisionarse
captura de un neutrón por un átomo de
siempre y cuando sean bombardeados con neutrones con la energía adecuada, de
torio-232, y el plutonio-239 se forma
tal manera que el núcleo de estos átomos adquieran un estado de inestabilidad
cuando un átomo de uranio-238 captura
que conduzca a la fisión. Algunos átomos, tales como el uranio-235, el plutonio-
un neutrón .
En 1932, el físico británico James Chadwick descubrió el neutrón y en 1939, los
químicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann descubrieron el rompimiento de
átomos de uranio al bombardearlos con neutrones; lo cual comprobaron al
encontrar elementos más ligeros que no se tenían al inicio de los experimentos. A
este fenómeno le llamaron fisión nuclear.
239, el plutonio-241 y otros, se fisionan con neutrones de baja energía y se les llama
materiales fisiles. Por su parte, los átomos que capturan neutrones para producir
átomos fisiles como son el torio-232, el uranio-238, el plutonio-240 y otros, se les
Enriquecimiento del uranio
El uranio natural es un elemento radiactivo
235
sabe que esa energía proviene del núcleo
En la fisión de un átomo de uranio-235 ( U) se produce una gran cantidad de
de los átomos.
energía, aproximadamente 50 millones de veces más que en la combustión de un
CALOR
átomo de carbono. Esta energía se distribuye entre los fragmentos de fisión, los
neutrones, la radiación gamma y la radiación beta/gamma que se obtiene del
decaimiento de los productos de fisión y la energía de los neutrinos.
Núcleo del
átomo de 235U
Estos descubrimientos condujeron al físico italiano Enrico Fermi a tratar de
mantener y controlar una reacción de fisión en cadena auto-sostenida. Utilizó los
neutrones provenientes de la fisión del 235U para fisionar otros núcleos del mismo
Neutrón
Neutrones
libres
isótopo. Fermi construyó el primer reactor nuclear del mundo al que llamaron
Chicago Pile 1, debido a que se construyó en las instalaciones de la Universidad de
Chicago. El 2 de diciembre de 1942 logró la primera reacción de fisión nuclear en
cadena auto-sostenida; el control de esta reacción lo consiguió mediante el empleo
de boro y cadmio, elementos absorbedores de neutrones.
Por lo tanto, cuando el núcleo de
Henri Becquerel y la familia Curie
235
U es bombardeado con neutrones de baja
energía, se fisiona y se producen de 2 a 3 neutrones que, a su vez, producen otras
fisiones y otros neutrones. Si este proceso se repite cíclicamente, se dice que existe
4
instituto nacional de investigaciones nucleares
Durante la fisión de un átomo de uranio se
generan productos de fisión, además de
que se desprenden de 2 a 3 neutrones que
ocasionan otras fisiones
Contacto Nuclear
RADIACIONES
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Radiactividad y fisión nuclear
una reacción en cadena. A cada ciclo de la reacción en cadena se le llama
generación.
En 1896 el físico Henri Becquerel descubrió
La pregunta era ¿cuál es el origen de toda esa energía del núcleo del átomo? Albert
la radiación que emitían los minerales de
Einstein en 1905 propuso una teoría en la que se asevera que la energía y la masa
uranio. En ese mismo año, los estudios de
son diferentes aspectos de lo mismo, y que la relación se puede expresar por la
Pierre y Marie Curie sobre minerales de
ecuación E = mc2, donde E representa la energía, m la masa y c la velocidad de la luz
uranio y torio condujeron al
en el vacío. Esta ecuación indica que la masa se puede transformar en energía, y la
descubrimiento de dos elementos: el
energía en masa; además, expone que una pequeña cantidad de masa puede
polonio y el radio. Estos elementos
transformarse en una enorme cantidad de energía. La velocidad de la luz es
despertaron un gran interés por emitir
cercana a los 300 mil kilómetros por segundo, por lo que si esta cantidad se eleva al
radiaciones muy penetrantes, a semejanza
cuadrado, la energía resultante es verdaderamente asombrosa.
del uranio y el torio. A esta propiedad del
radio y otros elementos inestables, la de
emitir energía en forma de radiación al
desintegrarse, Marie Curie la llamó
"radiactividad".
En 1903, Rutherford y Soddy observaron
que la energía que salía del interior del
átomo era enorme, comparada con la
producida por cambios químicos. Ahora se
Estos experimentos condujeron a la conclusión de que si se lograban desintegrar a
Moderadores
En la mayoría de los reactores en funcionamiento la fisión se realiza por neutrones
térmicos, es decir, de baja energía. Dado que los neutrones que se producen en la
fisión nuclear son neutrones rápidos, los reactores incluyen sustancias
moderadoras con el objeto de reducir la energía cinética de los neutrones hasta
llevarla al orden de magnitud necesario para que puedan producir nuevas fisiones.
Como moderadores se utilizan frecuentemente el grafito, el agua pesada y el agua
ligera.
La Chicago pile 1 de Fermi,
el primer reactor nuclear
Materiales físiles y fértiles
conoce como materiales fértiles. Por
voluntad los núcleos de algunos elementos, sería posible obtener fabulosas
La fisión nuclear se induce al bombardear con neutrones el núcleo de ciertos
ejemplo, el uranio-233 se produce por
cantidades de energía.
átomos de número atómico grande. Todos los núcleos pesados pueden fisionarse
captura de un neutrón por un átomo de
siempre y cuando sean bombardeados con neutrones con la energía adecuada, de
torio-232, y el plutonio-239 se forma
tal manera que el núcleo de estos átomos adquieran un estado de inestabilidad
cuando un átomo de uranio-238 captura
que conduzca a la fisión. Algunos átomos, tales como el uranio-235, el plutonio-
un neutrón .
En 1932, el físico británico James Chadwick descubrió el neutrón y en 1939, los
químicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann descubrieron el rompimiento de
átomos de uranio al bombardearlos con neutrones; lo cual comprobaron al
encontrar elementos más ligeros que no se tenían al inicio de los experimentos. A
este fenómeno le llamaron fisión nuclear.
239, el plutonio-241 y otros, se fisionan con neutrones de baja energía y se les llama
materiales fisiles. Por su parte, los átomos que capturan neutrones para producir
átomos fisiles como son el torio-232, el uranio-238, el plutonio-240 y otros, se les
Enriquecimiento del uranio
El uranio natural es un elemento radiactivo
235
sabe que esa energía proviene del núcleo
En la fisión de un átomo de uranio-235 ( U) se produce una gran cantidad de
de los átomos.
energía, aproximadamente 50 millones de veces más que en la combustión de un
CALOR
átomo de carbono. Esta energía se distribuye entre los fragmentos de fisión, los
neutrones, la radiación gamma y la radiación beta/gamma que se obtiene del
decaimiento de los productos de fisión y la energía de los neutrinos.
Núcleo del
átomo de 235U
Estos descubrimientos condujeron al físico italiano Enrico Fermi a tratar de
mantener y controlar una reacción de fisión en cadena auto-sostenida. Utilizó los
neutrones provenientes de la fisión del 235U para fisionar otros núcleos del mismo
Neutrón
Neutrones
libres
isótopo. Fermi construyó el primer reactor nuclear del mundo al que llamaron
Chicago Pile 1, debido a que se construyó en las instalaciones de la Universidad de
Chicago. El 2 de diciembre de 1942 logró la primera reacción de fisión nuclear en
cadena auto-sostenida; el control de esta reacción lo consiguió mediante el empleo
de boro y cadmio, elementos absorbedores de neutrones.
Por lo tanto, cuando el núcleo de
Henri Becquerel y la familia Curie
235
U es bombardeado con neutrones de baja
energía, se fisiona y se producen de 2 a 3 neutrones que, a su vez, producen otras
fisiones y otros neutrones. Si este proceso se repite cíclicamente, se dice que existe
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instituto nacional de investigaciones nucleares
Durante la fisión de un átomo de uranio se
generan productos de fisión, además de
que se desprenden de 2 a 3 neutrones que
ocasionan otras fisiones
Contacto Nuclear
RADIACIONES
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de número atómico igual a 92 compuesto
por 3 isótopos que son: el
0.7205%, el
238
235
U con el
U con el 99.2739% y el
234
U
gaseosa y la centrifugación gaseosa. La primera está basada en que las moléculas
¿Qué son los reactores nucleares?
ligeras atraviesan más rápidamente una membrana porosa. Si se repite esta
operación varias veces se logra enriquecer paulatinamente el gas con la molécula
235
con el 0.0056%. Este uranio no es
ligera ( U) hasta el nivel deseado. En la centrifugación gaseosa se pone a girar un
adecuado para su uso en reactores
cilindro lleno de hexafloruro de uranio. Por la fuerza centrífuga, las moléculas
enfriados y moderados con agua natural
pesadas (238U) se van a la periferia, mientras que las moléculas ligeras (235U) tienden
debido a que este líquido, aunque absorbe
a desplazarse hacia el eje. El gas que queda al centro del cilindro estará
pocos neutrones, impide que la reacción de
ligeramente enriquecido en 235U. Al igual que en el caso anterior, debe repetirse la
fisión en cadena se mantenga auto-
acción varias veces para lograr el nivel de enriquecimiento que se requiera.
La fisión nuclear del 235U ha hecho posible la existencia de los reactores nucleares.
neutrones se escapen del sistema y que
Un reactor nuclear es una instalación en la cual se puede iniciar y controlar una
otros sean absorbidos por núcleos que no
serie de fisiones nucleares auto-sostenidas. Estos dispositivos son utilizados como
se fisionan (a estos núcleos se les llama
herramientas de investigación, como sistemas para producir isótopos radiactivos y
venenos porque tienden a “matar” la
también como fuentes de energía. Estos últimos son comúnmente conocidos como
reacción, absorbiendo neutrones).
reactores de potencia.
En un reactor nuclear la reacción en
sostenida. Para utilizar uranio natural en
Si todos los neutrones emitidos en las fisiones produjeran nuevas fisiones, es
cadena se mantiene a un nivel casi
un reactor se requiere un moderador que
evidente que la reacción iría creciendo en forma descontrolada. A manera de
constante, y que por su diseño y calidad de
ilustración, esto es lo que ocurre en la bomba atómica, en la cual la reacción no se
su combustible no pueden explotar como
controla y en unos instantes se libera una cantidad increíble de energía. Este
bombas atómicas.
Uranio natural
absorba menos neutrones, como el agua
pesada y el grafito. Por esta razón se han
Uranio enriquecido
UF6
ideado varios métodos para incrementar el
incremento es muy rápido y produce una explosión extraordinariamente violenta y
porcentaje de 235U, el isótopo idóneo para la
energética, característica de tales artefactos. Afortunadamente, es posible controlar
Uranio empobrecido
(colas)
fisión, tal manera que se puedan fabricar
con él combustibles para reactores
enfriados y moderados con agua natural. El
porcentaje de
235
U en el combustible
fisión produzca otra fisión, y esto, a su vez, se logra dejando que cierta cantidad de
235
U
238
U
Membrana
Porosa
Factor de multiplicación y reactividad
nuclear recibe el nombre de
enriquecimiento, término que se utiliza
sólo en los casos en que el porcentaje de
Enriquecimiento por difusión gaseosa
235
U es mayor al natural.
El enriquecimiento del uranio es un
Salida del UF6 enriquecido
proceso complejo y son pocos los países
que tienen la capacidad técnica para
llevarlo a cabo. El uranio natural se extrae
la reacción, haciendo que, en promedio, sólo uno de los neutrones emitidos en cada
Salida de “colas”
Entrada del UF6
del yacimiento en forma de óxido de uranio
(U3O8), luego se procesa para convertirlo en
el gas hexafloruro de uranio (UF6). Para esta
después de que el proceso ocurre. El resto
de la energía proviene del decaimiento
radiactivo de los productos de fisión,
número de neutrones en una generación (cada ciclo de la reacción en cadena)
vez que se han frenado y comienzan a
dividido entre el número de neutrones en la generación inmediata anterior.
decaer. El decaimiento radiactivo continúa
Claramente, si k = 1, la reacción será estable; o sea que el número de neutrones ni
aun cuando la reacción en cadena se ha
crece ni disminuye. Si k < 1, la reacción está disminuyendo, pues en cada generación
detenido, por lo que el diseño de un reactor
hay menos neutrones; y si k > 1, la reacción está creciendo.
debe tener en cuenta esta energía para
Un reactor nuclear es un aparato en el cual se controla a voluntad una reacción de
poder manejarla adecuadamente.
fisión en cadena. Cuando un reactor tiene k = 1, o sea que la reacción se mantiene
Generalmente los elementos combustibles
estable, se dice que el reactor está crítico; cuando k < 1 nos referimos a un estado
tienen una reactividad mayor que cero, y a
subcrítico y cuando k > 1, decimos que es supercrítico.
esta cantidad se le llama exceso de
reactividad. Si el reactor consistiera
únicamente de elementos combustibles
sería supercrítico, pero ahí es donde entran
purificando la solución con solventes
en función las llamadas barras de control,
químicos. El UF6 se enriquece con el 235U.
enriquecer el uranio son la difusión
forma de calor en un tiempo muy corto,
nombre que reciben los fragmentos una
uranio en ácido nítrico, filtrando y
Dos técnicas que se han utilizado para
fisión (aproximadamente 85%) se libera en
Es muy conveniente definir el término llamado factor de multiplicación k, esto es, el
Otro término muy usado en teoría de reactores es la reactividad (r), definida como:
conversión se disuelve el concentrado de
La mayor parte de la energía liberada en la
Enriquecimiento por centrifugación gaseosa
De esta expresión se puede deducir que cuando un reactor está crítico (o sea que k =
que tienen una reactividad negativa. Estas
1) la reactividad es cero. En un reactor subcrítico (o sea k < 1), la reactividad es
barras de control se introducen al núcleo lo
negativa y en uno en estado supercrítico, la reactividad es positiva.
necesario para que el valor neto de
reactividad sea cero, es decir, que el reactor
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instituto nacional de investigaciones nucleares
Contacto Nuclear
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