Reacciones Nucleares.

Transcripción

1 Reacciones Nucleares. Antes de hablar de las reacciones nucleares es preciso hablar de la constitución, a grandes rasgos del átomo. El átomo está formado por un pequeño núcleo, cargado positivamente, rodeado de electrones, una de las partículas que forman el átomo. El núcleo contiene la mayor parte de la masa del átomo, este está formado por neutrones y protones unidos por fuerzas nucleares muy intensas. En lo que se refiere a simbología, el número másico A de un núcleo expresa el número de nucleones (neutrones y protones) que este contiene; el número atómico Z indica el número de protones, estos son partículas con carga positiva. Mediante las reacciones nucleares se obtiene energía, a esta energía se la conoce como energía nuclear. La energía nuclear es aquella energía liberada durante la fisión o fusión de núcleos atómicos, la energía liberada en una reacción nuclear se mide en millones de electro voltios, (MeV). Las cantidades de energía que se obtienen mediante procesos de fisión y fusión son mucho mayores que las que se obtienes mediante los procesos químicos, que solo implican a la parte más superficial o externa de átomo. La energía de cualquier sistema, este puede ser físico químico o nuclearm, se manifiesta por su capacidad de realizar un trabajo o/y liberar calor o radiación. Existen dos tipos de reacciones nucleares, fisión y fusión nuclear. Fisión Nuclear. La fisión nuclear consiste en fisionar un núcleo pesado, mediante la absorción de un neutrón. Para las reacciones de fisión se emplea como combustible uranio 235 U, durante las reacciones de fisión se produce una reacción en cadena, esta puede ser controlada; mediante moderadores en una central nuclear o incontrolada como sucede con las armas nucleares. Para fisionar un núcleo de Uranio 235 este es bombardeado por neutrones, una vez que el núcleo ha absorbido un neutrón se hace inestable razón por la cual se divide dando núcleos más ligeros, energía y neutrones este es el fundamento de la fisión nuclear. Los neutrones liberados tras la fisión de un núcleo son absorbidos por otros núcleos de Uranio 235 repitiendo el proceso anteriormente indicado a este fenómeno se la conoce como reacción en cadena, cuando la reacción es incontrolada no se controla los neutrones que pueden ser absorbidos por los núcleos, mientras que en una reacción controlada y por medio de los moderadores se que controlan los neutrones que pueden se absorbidos por los núcleos. La reacción que indica este proceso es la siguiente: n + U! Cs + Rb + n MeV. Fusión Nuclear. La fusión nuclear consiste en fusionar dos núcleos ligeros para formar núcleos más pesados. La fusión de dos núcleos ligeros libera millones de electrovoltios (MeV). En una reacción de fusión dos nucleos de hidrógeno pesado o deuterones ( H) isótopo del hidrógeno se combinan bajo una temperatura de millones de grados C para dar un átomo de Helio 3, un neutrón libre ( n) y 3.2 MeV, que equivalen a 5, julios ( J ). En una reacción de fusión típica cada uno de los dos núcleos que reaccionan tiene una carga eléctricamente positiva, y antes de unirse deben superar la repulsión natural que ejercen entre si, la llamada repulsión Couloumb. Esto ocurre cuando la temperatura del gas es suficientemente elevada, entre 50 y 100 millones de grados centígrados. En un gas formado por el isótopo pesado del hidrógeno deuterio a esa temperatura se produce la reacción de fusión. La reacción que indica este proceso es la siguiente: H + H! He + n + 3,2 MeV. 1

2 Este tipo de reacciones, reacciones de fusión nuclear se dan en el interior de las estrellas. El Origen del Universo. Se conoce como origen del universo, a la aparición en un momento determinado de toda materia y energía existentes en la actualidad. Se trata de un acontecimiento postulado por la teoría cosmológica y que generalmente es aceptada. Los astrónomos están convencidos de que el universo surgió en un instante definido, entre y millones de años antes del momento actual. los primeros pasos de esta teoría los dio Edwin Hubble, en los años 20, ya que este descubrió que el universo se está expandiendo y los cúmulos de galaxias se alejan entre si. La conocida teoría de la relatividad formulada por Albert Einstein también predice dicha expansión. Si los componentes del universo se están continuamente separando, significa que en algún momento en el pasado tuvieron que estar más cerca, y retrocediendo en el tiempo lo suficiente se llega a la conclusión de que todo salió de un único punto matemático (Denominado singularidad), en una bola de fuego conocida como Gran explosión o Big Bang. El descubrimiento en la década de los años sesenta de la llamada radiación de fondo cósmica, considerada o interpretada como una espacie de eco del Big Bang supuso una especie de confirmación de esta idea y fue tomada a modo de prueba para afirmar que el universo tuvo un origen. No hay que imaginarse la Gran Explosión como la explosión de una parte de materia en el espacio, en el Big Bang mejor dicho en el punto matemático anteriormente mencionado no solo estaba contenida toda la materia y la energía, sino también el espacio y el tiempo, por lo que no había ningún lugar fuera de la primitiva bola de fuego, ni ningún momento antes de la Gran Explosión. Es el propio espacio lo que se expande a medida que el universo envejece, alejando todos los objetos materiales unos de otros. Aplicaciones de la energía nuclear. Actualmente se utiliza el gran potencial de la energía nuclear para dos fines principalmente: * Fines militares / bélicos. * Fines no militares. Cabe destacar que la energía nuclear más empleada es la que proviene de la fisión nuclear, ya que la fusión presenta hoy por hoy unos inconvenientes que dificultan el aprovechamiento de la energía resultante de dicha reacción las altas temperaturas que hay que conseguir y mantener para que se produzca dicha reacción, etc. Fines militares / bélicos: La aplicación de la energía nuclear para fines militares, se centra en la utilización de este tipo de energía para la fabricación de armas nucleares. Las armas nucleares son dispositivos explosivos que liberan energía nuclear a gran escala. Las armas nucleares se dividen en; armas de fisión y armas de fusión nuclear, la forma de presentarse las armas nucleares es muy variada, misiles balísticos intercontinentales, bombas esta es la forma más común de presentarse un arma nuclear. La potencia de las bombas nucleares se puede medir en Kilotones (1.000 toneladas de TNT) o en Megatones ( de toneladas de TNT). * Armas de fisión: 2

3 La primera bomba atómica, bomba A fue probada el 16 de julio de 1942 en el desierto de Nuevo México. La bomba A se desarrolló, construyó y probó en el marco del conocido proyecto Manhattan. Se trataba de una extraordinaria empresa Estadounidense iniciada en 1942 durante la Segunda Guerra mundial. En el participaron científicos como Enrico Fermi, J.Robert Oppenheimer, etc. Los elementos más importantes de una bomba atómica son, el detonador y el combustible (Plutonio o Uranio). El funcionamiento de una bomba nuclear es una reacción en cadena descontrolada, el detonador al golpear con el suelo se activa, por lo que bombardea con neutrones al combustible, al no ser una reacción controlada todos los átomos absorben rápidamente un neutrón y se fisionan rápidamente produciendo gran cantidad de energía en un espacio muy corto de tiempo, por ello la gran destrucción que una bomba de este tipo ocasiona. Para hacernos una idea de la energia que libera un arma de este tipo diremos que una bomba con una bola de plutonio de una pelota de béisbol produce una explosión equivalente a toneladas de TNT. * Armas de fusión: Las armas de fusión son armas en las que no se da únicamente la fusión nuclear, son armas denominadas de tres fases, a estas armas se las denominan armas termonucleares. Las armas termonucleares son siempre bombas. Las tres fases son: Primera fase, una bomba A que actúa como detonador elevando suficiente la temperatura, para que los núcleos de hidrógeno se fusionen. En la segunda fase es una bomba H resultante de la fusión de los deuterones, formando núcleos de helio, y dando gran cantidad de energía y neutrones. La tercera fase se iniciaba con el impacto de esos neutrones en la cubierta de la bomba hecha de uranio natural o de uranio 235, los neutrones tienen energía suficiente para fisonar los núcleos de uranio. Esta bomba es más destructiva que la bomba A, ya que posee los efectos destructivos y radiactivos de la bomba de fisión más los efectos aun más destructivos de la bomba de fusión. A las bombas termonucleares se las conoce como bombas de hidrógeno o bomba H. Fines no militares: La utilización no militar de la energía nuclear, se centra en la producción de energía eléctrica. Las centrales de fusión nuclear están funcionando de un modo experimental. Hoy por hoy estas centrales no resultan rentables ya que se gasta más energía de la que se produce al producir las condiciones de temperatura adecuadas para que los deuterones se fusionen formando helio. Por ello se utilizan las centrales de fisión, en las que se producen reacciones de fisión controlada. Hay varios tipos de centrales nucleares, pero la más común es la denominada central de reactor de agua a presión, este es el que tipo de central que ahora se describe. Los elementos de los que consta una central con un reactor de agua a presión son: 1 Reactor. 2 Circuito primario. 3 Circuito secundario. 4 Turbinas. 5 Intercambiador. 6 Conductos de 7 Elementos de control. condensación. En un reactor nuclear se produce calor a partir de la Fisión Nuclear. En la parte central de un reactor se produce una reacción Nuclear autsostenida. Una serie de barras de control se suben o bajan para absorber los neutrones, controlando la reacción y el calor. El reactor de agua a presión emplea dos circuitos de agua. El circuito primario bombea 3

4 el agua calentada en el reactor o un serpentín intercambiador de calor donde cede calor al circuito secundario. El agua del circuito primario continua líquida a temperatura de 300 C, ya que esta está sometida a una presión de 150 atmósferas. En el circuito secundario el agua se evapora en el intercambiador de calor, este vapor conocido como vapor a presión se emplea para impulsar unos generadores. Este vapor se condensa gracias a un circuito de condensación que utiliza agua del mar, de un río, de un lago, etc, así se completa el ciclo. La electricidad producida en los generadores, pasa primero por un transformador, para aumentar su tensión y luego pasa a la red de distrubución. * Aporte gráfico: Las estrellas. 1 Qué es una estrella? Una estrella es un cuerpo celeste que tiene luz propia, compuesto de gases calientes que emiten radiación electromagnética, en especial luz, como resultado de las reacciones nucleares que tienen lugar en su interior. Las estrellas se agrupan formando lo que conocemos como galaxias, las cuales se cree se están separando unas de otras continuamente. 2 Reacciones en el interior de una estrella. En una estrella se están produciendo continuamente reacciones de fusión de ligeros para dar núcleos más pesados, la reacción es una reacción normal de fisión de núcleos de hidrógeno pesado o deuterones para dar núcleos de helio, tal y como indica la reacción explicada en el apartado de reacciones nucleares. La vida de una estrella la delimita la cantidad de combustible es decir el hidrógeno que puede transformarse en helio. Un caso cercano a nosotros es el sol, estrella en torno a cual giran todos los planetas del sistema solar. El sol según afirman los expertos se encuentra a 5000 años de su muerte, después de llevar casi otros 5000 viviendo. Una estrella por dentro, el interior del sol : 3 Nacimiento y muerte de una de una estrella. Una estrella comienza la vida como una masa de gas, relativamente fría y grande esas masas de gas se supone que parte de una nebulosa. Como la masa del gas es grande genera fuerzas de atracción entre las partículas de los gases (gravedad) esas fuerzas hacen aumentar la presión del gas, por lo que su temperatura aumenta, hasta ser lo suficientemente elevada para provocar la fusión de los núcleos de los átomos del gas,(hidrógeno pesado o deuterones), para formar núcleos de helio. Esto supone a grandes rasgos el nacimiento de una estrella. Las estrellas mueren cuando su combustible se les agota (hidrógeno pesado o deuterones). Una estrella alcanza su mayor tamaño cuando todo su hidrogeno pesado central se ha transformado en helio. Si continua, brillando que es lo normal la temperatura del centro debe subir lo suficiente como para producir la fusión de los núcleos de helio,. Durante este proceso es probable es probable que la estrella se haga muy pequeña y muy densa. Cuando ha agotado todas las posibles fuentes de energía nuclear, se contrae de nuevo y se convierte en una enana blanca. Esta etapa final puede culminar con explosiones estelares llamadas supernovas o novas. Cuando una estrella termina como nova o supernova, devuelve al medio interestelar elementos pesados que ha sintetizado en su interior. Por el contrario las estrellas que terminen de una forma no explosiva se convertirán en nebulosas planetarias. También los restos de una estrella puede ser una estrella de neutrones, 4

5 este tipo de resto de estrellas se supone que terminan como agujeros negros, de los cuales no puede escapar ninguna radiación. 4 Clasificación de las estrellas. En la actualidad las estrellas se clasifican según su brillo y su temperatura. Esta forma de clasificar las estrellas esta recogido en el diagrama Hertzsprung Russell, este es el diagrama que se explica a continuación y del cual se adjunta una representación gráfica. En dicho diagrama las estrellas de la izquierda del diagrama son azules porque son muy cálidas, y las de la derecha son rojas porque son frías. La banda diagonal se denomina banda principal. Las estrellas del extremo superior derecho son gigantes rojas, muy frías y muy brillantes, porque son muy grandes. Las estrellas cercanas al extremo inferior (enanas blancas) son muy cálidas, pero no muy brillantes porque son pequeñas. Esta es el principal criterio para clasificar las estrellas. 5