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6-1 Reactores Nucleares
6-2 Desintegracion Artificial
6-3 Desintegracion Natural
6-4 Valor de la Reaccion Nuclear
6-5 Energia cinetica en los marcos de laboratorio y dentro de la masa
6-6 Probabilidad de la Sección Transversal
6-7 Funcion del Reactor
6-8 y 6-9 Tipos de Reactores
6-10 El Accidente de Chernobyl
Solución de Problemas de Reacciones Nucleares
Fisica Moderna
Equipo 5
Hernan Oziel Ortiz Gallegos 1387642
Julio Cesar Luna Roque 1432210
Guillermo Zapiain Cordova 1462247
Ricardo Gonzalez Sanchez 1381781
Ignacio Guevara Betancourt. 1102067.
lunes, 28 de marzo de 2011
6-1 Reactores Nucleares
COMO FUNCIONA UN REACTOR NUCLEAR
Un reactor nuclear no es una planta de generación de energía, a pesar de que en el imaginario popular es su único uso. Hay muchos tipos de reactores nucleares con diferentes fines, ya que la energía nuclear es útil y en casos imprescindible en muchos campos como la medicina, la industria, la agricultura o la alimentación.
Un reactor nuclear es, a grandes rasgos, un contenedor dentro del cual se producen reacciones nucleares controladas, con el fin de que estas reacciones produzcan algo que es lo que queremos utilizar.
Reacciones nucleares
Las reacciones nucleares son transformaciones en el núcleo de los átomos. Son análogas, aunque muy diferentes, a las reacciones químicas, y liberan muchísima más energía.
La fisión nuclear se da cuando el núcleo del átomo se divide en dos. La fusión nuclear en cambio, sucede cuando dos núcleos se unen. En este proceso, por el desequilibrio que se produce, se emiten grandes cantidades de energía.
Reactores nucleares de potencia
Este tipo de reactores son los que se usan para generar energía, aunque también se pueden utilizar para otros fines. En ellos el algo que se busca obtener es el calor que se produce a partir de la fisión nuclear.
Ese calor generado, hace hervir agua generando vapor que mueve turbinas conectadas a generadores eléctricos, que son, en realidad, quienes generan la electricidad de las centrales nucleares.
Elementos de un Reactor Nuclear
1. Nucleo | 5. Vasija | 9. Condensador |
2. Barras de control | 6. Turbina | 10. Agua de refrigeración |
3. Generador de vapor | 7. Alternador | 11. Contención de hormigón |
4. Presionador | 8. Bomba |
El Combustible:
Material fisionable utilizado en cantidades específicas y dispuesto en forma tal, que permite extraer con rapidez y facilidad la energía generada. El combustible en un reactor se encuentra en forma sólida, siendo el más utilizado el Uranio bajo su forma isotópica de U-235. Sin embargo, hay elementos igualmente fisionables, como por ejemplo el Plutonio que es un subproducto de la fisión del Uranio.
En la naturaleza existe poca cantidad de Uranio fisionable, es alrededor del 0,7%, por lo que en la mayoría de los reactores se emplea combustible “enriquecido”, es decir, combustible donde se aumenta la cantidad de Uranio 235.
Barras de Combustible:
Son el lugar físico donde se confina el Combustible Nuclear. Algunas Barras de Combustible contienen el Uranio mezclado en Aluminio bajo la forma de láminas planas separadas por una cierta distancia que permite la circulación de fluido para disipar el calor generado. Las láminas se ubican en una especie de caja que les sirve de soporte.
Núcleo del Reactor:
Está constituido por las Barras de Combustible. El núcleo posee una forma geométrica que le es característica, refrigerado por un fluido, generalmente agua. En algunos reactores el núcleo se ubica en el interior de una piscina con agua, a unos 10 a 12 metros de profundidad, o bien al interior de una vasija de presión construida en acero.
Barras de Control:
Todo reactor posee un sistema que permite iniciar o detener las fisiones nucleares en cadena. Este sistema lo constituyen las Barras de Control, capaces de capturar los neutrones que se encuentran en el medio circundante. La captura neutrónica evita que se produzcan nuevas fisiones de núcleos atómicos del Uranio. Generalmente, las Barras de Control se fabrican de Cadmio o Boro.
Moderador:
Los neutrones obtenidos de la fisión nuclear emergen con velocidades muy altas (neutrones rápidos). Para asegurar continuidad de la reacción en cadena, es decir, procurar que los “nuevos neutrones” sigan colisionando con los núcleos atómicos del combustible, es necesario disminuir la velocidad de estas partículas (neutrones lentos). Se disminuye la energía cinética de los neutrones rápidos mediante choques con átomos de otro material adecuado, llamado Moderador.
Se utiliza como Moderador el agua natural (agua ligera), el agua pesada (deuterada), el Carbono (grafito), etc.
Refrigerante:
El calor generado por las fisiones se debe extraer del núcleo del reactor. Para lograr este proceso se utilizan fluidos en los cuales se sumerge el núcleo. El fluido no debe ser corrosivo, debe poseer gran poder de absorción calorífico y tener pocas impurezas. Se puede utilizar de refrigerante el agua ligera, el agua pesada, el anhídrido carbónico, etc..
Blindaje:
En un reactor se produce gran cantidad de todo tipo de radiaciones, las cuales se distribuyen en todas direcciones. Para evitar que los operarios del reactor y el medio externo sean sometidos indebidamente a tales radiaciones, se utiliza un adecuado “Blindaje Biológico” que rodea al reactor. Los materiales más usados en la construcción de blindajes para un reactor son el agua, el plomo y el hormigón de alta densidad, con a los menos 1,5 metros de espesor.
Tras las explosiones en la planta nuclear de Daiichi Fukushima, en Japón, una central afectada por el sismo y el tsunami de la semana pasada, las autoridades advirtieron de pequeñas fugas de radiación.
Durante un breve período las emisiones radioactivas llegaron a niveles peligrosos para la salud.
¿Pero cómo funciona un reactor nuclear? ¿Qué sucede dentro de los tanques de acero que, según el gobierno japonés, se han dañado en Fukushima?
Vea en este video de BBC Mundo un gráfico explicativo.
6-2 Desintegracion Artificial
Al desintegrarse, el átomo libera parte de la energía que lo mantenía unido. En 1919, el científico Ernest Rutherford logró desintegrar un átomo de nitrógeno. Veinte años más tarde, los científicos alemanes desintegraron un átomo de uranio. El uranio es un mineral radiactivo, un material cuyos átomos están continuamente desintegrándose, pero a una velocidad muy lenta. Esta desintegración natural puede acelerarse artificialmente. Al juntar cierta cantidad de uranio, los átomos que se desintegran rápidamente originan una reacción en cadena, desprendiéndose una enorme cantidad de energía. En 1942,Enrico Fermi logró producir la primera reacción atómica en cadena. La desintegración artificial del átomo abrió las puertas a la era atómica.
Ernest Rutherford (1871-1937), con Ernest Marsden (1871-1937) y Hans Wilhelm Geiger (1882-1945), estudiaron la radiación del uranio y el torio. Encontraron dos tipos de radiaciones, uno que se absorbe fácilmente y lo llamaron radiación alfa (a) y otro de mayor penetración que llamaron radiación beta (b). Rutherford descubrió que la radiación alfa son partículas que son atraídas hacia el lado negativo de un campo eléctrico. Con otros experimentos encontraron que las partículas alfa son núcleos de helio, 24He2+, que son despedidos a alta velocidad por un elemento químico radiactivo.
Como son partículas muy pesadas tienen poco poder de penetración y pueden ser detenidas por la piel o por la ropa. También, que la radiación beta son partículas atraídas por el lado positivo de un campo eléctrico. Posteriormente Becquerel encontró que las partículas beta tienen una carga eléctrica y una masa iguales a las del electrón. Las partículas beta son electrones expulsados a gran velocidad de algunos núcleos radiactivos, más penetrantes que las partículas alfa; penetran alrededor de un centímetro en los huesos o tejidos vivos y se requiere de una lámina de aluminio de unos 3.2 cm para detenerlas.
Como son partículas muy pesadas tienen poco poder de penetración y pueden ser detenidas por la piel o por la ropa. También, que la radiación beta son partículas atraídas por el lado positivo de un campo eléctrico. Posteriormente Becquerel encontró que las partículas beta tienen una carga eléctrica y una masa iguales a las del electrón. Las partículas beta son electrones expulsados a gran velocidad de algunos núcleos radiactivos, más penetrantes que las partículas alfa; penetran alrededor de un centímetro en los huesos o tejidos vivos y se requiere de una lámina de aluminio de unos 3.2 cm para detenerlas.
6-3 Desintegracion Natural
Desintegracion Natural.
Toda desintegración natural es un proceso aleatorio, es decir, no se puede predecir exactamente cuándo un núcleo determinado va a desintegrarse. Ahora bien, es posible calcular la probabilidad de que un núcleo se desintegre en un tiempo determinado. Con este fin se asocia a cada sustancia radiactiva una magnitud característica llamada período de semidesintegración.
El período de semidesintegración, de una sustancia radiactiva es el tiempo necesario para que se desintegre la mitad de los núcleos presentes en una muestra de dicha sustancia. Es decir, si tenemos una masa m de una sustancia y al cabo de 14 días tenemos la mitad (m/2) de esa sustancia (la otra mitad se ha desintegrado), diremos que su período de semidesintegración es de 14 días.
El período de semidesintegración varía para las distintas sustancias radiactivas desde millones de años a fracciones de segundo Sin embargo, cualquier sustancia radiactiva evoluciona en el tiempo ajustándose a una curva como la que se representa en la figura siguiente:
Curva de desintergración radiactiva
Períodos de semidesintegración de algunos isótopos
Como el período de desintegración del Radio 223 es de 8 días, tendrán que pasar unos 24 días para que la radioactividad de la muestra de este isótopo se reduzca a la octava parte (1/8)
6-4 Valor de una Reaccion Nuclear
El balance de la masa-energia a partir de la conservacion de la masa enrgia da:
mxc2 + Kx + Mxc2 = myc2 + Ky + Myc2+K
La energia total de la bala "más" la energía de reposo del blanco es "igual" a la energia total de la particula producto "más" la energia total del nucleo en reposo.
El valor de Q de la reacción es la energia disponible de la diferencia en masa que hay entre la bala mas el blanco y la particula producto más el valor en retroceso:
Q={ (mx+Mx) - (my+My) }
Esta imagen es una simulacion de una reaccion nuclear, para acceder al simulador solo tiene que dar click en el enlace debajo de la imagen.
Esta imagen es una simulacion de una reaccion nuclear, para acceder al simulador solo tiene que dar click en el enlace debajo de la imagen.
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| http://library.thinkquest.org/17940/texts/java/Reaction.html |
6-5 Energia Cinetica en los marcos de laboratorio y dentro de la masa
La energía cinética es energía que un objeto posee debido a su movimiento. Cuando un cuerpo está en movimiento posee energía cinética ya que al chocar contra otro puede moverlo y, por lo tanto, producir un trabajo. Para que un cuerpo adquiera energía cinética o de movimiento, es decir, para ponerlo en movimiento, es necesario aplicarle una fuerza. Cuanto mayor sea el tiempo que esté actuando dicha fuerza, mayor será la velocidad del cuerpo y, por lo tanto, su energía cinética será también mayor.
La energía cinética traslacional se debe a que el centro de masa de la esfera se mueve con una velocidad v paralela al plano inclinado.
Puesto que la esfera rueda con velocidad angular W y en cada instante gira alrededor de un eje que pasa por su punto de apoyo sobre el plano inclinado, tiene energía cinética rotacional que depende también del momento de inercia I de la esfera. I está dado por
Puesto que la esfera rueda con velocidad angular W y en cada instante gira alrededor de un eje que pasa por su punto de apoyo sobre el plano inclinado, tiene energía cinética rotacional que depende también del momento de inercia I de la esfera. I está dado por
(4) I = 12mr2
El Sistema de Referencia del Centro de Masa (sistema-C) es especialmente útil para describir las colisiones comparado con el Sistema de Referencia del Laboratorio (sistema-L). El centro de masas de un sistema de partículas se mueve como si fuera una partícula de masa igual a la masa total del sistema bajo la acción de la fuerza externa aplicada al sistema.
Para un sistema de dos partículas
La velocidad de la partícula 1 respecto del centro de masas es
La velocidad de la partícula 2 respecto del centro de masas es
En el sistema-C, las dos partículas se mueven en direcciones opuestas.
La relación entre las energías cinéticas medidas en el sistema-L y en el sistema-C es fácil de obtener
El primer término, es la energía cinética relativa al centro de masas. El segundo término, es la energía cinética de una partícula cuya masa sea igual a la del sistema moviéndose con la velocidad del centro de masa. A este último término, se le denomina energía cinética de traslación del sistema.
En un sistema de partículas podemos separar el movimiento del sistema en dos partes:
- el movimiento de traslación con la velocidad del centro de masa
- el movimiento interno relativo al centro de masas.
6-6 Probabilidad de la Seccion Transversal
La cantidad denominada sección transversal es una medida de que ocurra una reacción particular.
Cuando un haz de partículas incide sobre un blanco que tiene forma de lámina delgada, no todas las partículas interactúan con un núcleo blanco. La probabilidad de que ocurra una interacción depende de la razón el área “efectiva” del núcleo blanco y el área de la lámina. La situación es semejante a lanzar dardos a una gran pared en la cual hay globos inflados adheridos. Si los dardos se lanzan en una dirección al azar en dirección de la pared y los globos están distribuidos de modo que no se tocan entre sí, hay cierta posibilidad de acertar a un globo en cualquier lanzamiento dardo. Además, si los dardos se lanzan a una velocidad Ro, la velocidad R a la que estallan los globos es igual a R/Ro. La razón R/Ro depende del numero de globos N que hay en la pared, del área de cada globo y del área A de la pared. Debido a que el área total de la sección transversal de los globos es Nδ, la probabilidad R/Ro es igual a la razón Nδ/A.
Con esta analogía ahora es posible entender el concepto de sección transversal para los eventos nucleares. Suponga que un haz de partículas incide sobre una lámina delgada. Cada núcleo blanco X tiene un área efectiva δ denominada sección transversal. Puede pensarse que δ es un área efectiva del núcleo para los ángulos rectos con respecto a la dirección de movimiento de las partículas proyectil, aunque observe que la sección transversal δ de la reacción puede ser mayor que, igual a , o menor que la sección transversal geométrica real del núcleo blanco. Se supone que la reacción X (a, b)Y ocurre sólo si la partícula incidente golpea el área δ. En consecuencia, la probabilidad aumenta cuando se incrementa δ. En el caso general, el tamaño de δ para una reacción específica también puede depender de la energía de la partícula incidente.
A continuación se considerará con más detalle el concepto de sección transversal. En lo que sigue, se considera que el grosor de la lámina es x y que su área es A. Además, se utiliza la siguiente notación:
Ro = Velocidad a la que las partículas incidentes chocan contra la lamina (partículas/s).
R = Velocidad a la que ocurren eventos de reacción (reacciones/s).
n = Número de núcleos blanco por unidad de volumen (partículas/m3).
Sección eficaz y sección transversal.
-Sección transversal geométrica: πR2
-Usualmente σ >> πR2 debido a la longitud
de onda asociada λ=h/mv (De Broglie)
-Entonces:
σ = π(R + λ/2π)2
-Cuanto mas lento sea el neutrón --> mayor
será σ
6-7 Funcion del Reactor
Reactor nuclear
Un reactor nuclear es un dispositivo en donde se produce una reacción nuclear controlada. Se puede utilizar para la obtención de energía en las denominadas centrales nucleares, la producción de materiales fisionables, como el plutonio, para ser usados en armamento nuclear, la propulsión de buques o de satélites artificiales o la investigación. Una central nuclear puede tener varios reactores. Actualmente solo producen energía de forma comercial los reactores nucleares de fisión, aunque existen reactores nucleares de fusión-experimentales.
También podría decirse que es una instalación física donde se produce, mantiene y controla una reacción nuclear en cadena. Por lo tanto, en un reactor nuclear se utiliza un combustible adecuado que permita asegurar la normal producción de energía generada por las sucesivas fisiones. Algunos reactores pueden disipar el calor obtenido de las fisiones, otros sin embargo utilizan el calor para producir energía eléctrica.
La potencia de un reactor de fisión puede variar desde unos pocos kW térmicos a unos 4500MW térmicos (1500 MW "eléctricos"). Deben ser instalados en zonas cercanas al agua, como cualquier central térmica, para refrigerar el circuito, y deben ser emplazados en zonas sísmicamente estables para evitar accidentes. Poseen grandes medidas de seguridad. No emiten gases que dañen la atmósfera pero producen residuos radiactivos que duran decenas de miles de años, y que deben ser almacenados para su posterior uso en reactores avanzados y así reducir su tiempo de vida a unos cuantos cientos de años.
Como funciona un reactor nuclear.
Como se menciono antes, un reactor nuclear no es una planta de generación de energía, a pesar de que en el imaginario popular es su único uso. Hay muchos tipos de reactores nucleares con diferentes fines, ya que la energía nuclear es útil y en casos imprescindible en muchos campos como la medicina, la industria, la agricultura o la alimentación.
Un reactor nuclear es, a grandes rasgos, un contenedor dentro del cual se producen reacciones nucleares controladas, con el fin de que estas reacciones produzcan algo que es lo que queremos utilizar.
Reactores de investigación y producción
Estos reactores se utilizan para irradiar materiales. En ellos el algo que queremos obtener son los neutrones.
El material a ser irradiado puede estar alojado en un compartimiento dentro del reactor, o la radiación puede guiarse fuera del reactor mediante conductos especiales hasta la ubicación de la muestra.
¿Pero para qué queremos irradiar materiales? Lo hacemos porque las sustancias, al ser expuestas a la radiación, sufren transformaciones físicas y químicas, obteniendo en ellas propiedades especiales.
Irradiando materiales se fabrican radioisótopos, con los cuales luego se producen cosas tan importantes como radiofármacos o isótopos para usos agrícolas e industriales.
Estos productos se usan miles de veces al día alrededor del mundo.
Sus aplicaciones son tan variadas como la conservación de alimentos (mediante su irradiación que elimina bacterias y hongos), control de plagas (esterilizando por irradiación insectos machos), tratamientos médicos (como radiografías, tomografías o radioterapia) o el uso de gammagrafos para ver la calidad de piezas industriales.
Todas estas aplicaciones hacen de los reactores nucleares tan importantes y necesarios, y que la energía nuclear sea una necesidad con futuro, no una alternativa.
Aplicaciones
Ø Generación nuclear:
· Producción de calor para la generación de energía eléctrica.
· Producción de calor para uso doméstico e industrial.
· Producción de hidrógeno mediante electrólisis de alta temperatura.
· Desalación.
· Marítima
· Cohetes de propulsión térmica nuclear (propuesta).
· Cohetes de propulsión nuclear pulsada (propuesta).
Ø Transmutación de elementos:
· Producción de plutonio, utilizado para la fabricación de combustible de otros reactores o de armamento nuclear.
· Creación de diversos isótopos radiactivos, como el americio utilizado en los detectores de humo, o el cobalto-60 y otros que se utilizan en los tratamientos médicos
Ø Aplicaciones de investigación, incluyendo:
· Su uso como fuentes de neutrones y de positrones (p. Ej. para su uso de análisis mediante activación neutrónica o para el datado por el método de potasio-argón).
· Desarrollo de tecnología nuclear.
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