TEMA. Fisión Nuclear ¿ Por qué es importante la energía nuclear de fisión /fusión ? ¿ Qué diferencias hay entre fisión nuclear y fusión nuclear ? ¿ Cómo es el proceso de extracción de energía ? Y el futuro: Seguridad Nuclear, Residuos, Proliferación, … Fuente de energía Química Fisión Nuclear Fusión Reacción ejemplo C+O2 →CO2 n+U235→Ba143+Kr91+2n H2+H3→He4+n Combustible Carbón UO2 (3%U235+97%U238) Deuterio+Litio Temperatura (K) 700 1.000 100.000.000 Energía liberada (MWd) por kg de Fuel 0,00028 (carbón) 800 (reactor fisión) 3.870 (reactor fusión) Eficiencia (E/mc2) 0,00000003% 0,002% 0,4%

1. Concepto básicos

6C14 Propiedades de los núcleos: Isótopos El núcleo de los átomos está formado por nucleones: protones y neutrones Número másico=A Protones(Z)+Neutrones(N) Número Protones(Z) 6C14 Símbolo químico del Carbono Isótopos: Son núcleos con el mismo Z pero distinto A Ejemplo: 92-U-235 y 92-U-238 El tamaño del núcleo es una función empírica: R~1.2x10-15 A1/3 m Los núcleos pueden ser: Estables: Estado de mínima energía Inestables: Por exceso de nucleones, o por poseer energía de excitación Naturales Artificiales

Masa de los núcleos: Energía de Ligadura La masa del núcleo: Se mide relativa a la masa del C12, que se define la masa de C12= 12 uma Siendo: 1 uma = 931.5 MeV/c2. Además: 1eV=1,6x10-19 J Masa del protón: 1.007825 uma = 938.27 MeV/c2 Masa del neutrón: 1.008665 uma = 939.57 MeV/c2 Masa de hidrógeno = 938.78 MeV/c2 (= mp+me-) Sin embargo: Masa del núcleo ≠ Z*mp+N*mn Ejemplo: 26Fe56 donde : Z=26, A=56, N=30 Masa (26Fe56)=55.92066 uma < 26*1.00782+30*1.00867=56.46342 uma Energía de ligadura: (Blig) Se define: Defecto de Masa = DM= (Z*mp+N*mn)-(Masa del Núcleo) Eligadura=DM*c2 Definición: Es la energía liberada al romper los núcleos en sus componentes elementales La energía desprendida al formar los núcleos a partir de sus componentes Para el (26Fe56): Blig =505.58 MeV La energía de ligadura media por nucleón= 505.58/56=9.08 MeV/nucleón

La energía de ligadura media por nucleón Fisión Nuclear: Se puede liberar energía “fisionando” núcleos pesados en núcleos más ligeros. Reactor de fisión para producir energía eléctrica Bombas de fisión (Hiroshima, Nagasaki) Fusión Nuclear: Se puede liberar energía “fusionando” núcleos ligeros para formar núcleos más pesados: El sol Reactores futuros de fusión Bombas termonucleares La energía de ligadura media por nucleón indica ESTABILIDAD, cuanto mayor sea su valor más estable se encuentra el núcleo

Estabilidad Nuclear: Fuerzas Nucleares Las Fuerzas Nucleares son las fuerzas de cohesión entre los nucleones del núcleo Tipo: (n-n, n-p, p-p) Propiedades de las fuerzas nucleares Gran intensidad Corto alcance Independientes de la carga eléctrica Fuerzas Intensidad Nuclear 1 Culombiana 10-2 Débil 10-12 Gravitacional 10-45 Curva de estabilidad Figura. Curva de estabilidad (270 isótopos estables) Para A<40 los nucleidos estables tienen una relación N/Z=1 Para A>40 la estabilidad se alcanza con N/Z=1.7 Se requieren más neutrones para mantener los núcleos estables (mayor aporte de fuerza de corto alcance o fuerza fuerte), ya que cuanto mayor es el número de protones mayor será la repulsión culombiana en el núcleo

Conceptos de radioactividad “La emisión de radiación es debida a la búsqueda de estabilidad del isótopo” Estos núcleos inestables, tienden con el tiempo a estabilizarse, mediante la emisión de ciertas radiaciones. Desintegración alfa Ruptura del núcleo y emisión de una partícula alfa (núcleo de He4): Desintegración beta (emisión de electrones) Para los isótopos del mismo A, existe un isótopo con mayor estabilidad. De manera que estos isótopos tiende hacia ese isótopo intercambiando: - Protones por neutrones (captura electrónica y beta+) - Neutrones por protones (beta-) Z N 5 6 7 8 9 10 4 5 6 7 8 9 Desintegración gamma Emisión de radiación electromagnética Emisión de neutrones

1) Desintegración alfa (2He4) Las partículas alfa (a) son núcleos de He4 (2n-2p) Se produce con isótopos muy pesados Se emiten partículas alfa con energía discreta Gran pérdida de energía del átomo Figura: Ejemplo de desintegración alfa Figura: Penetración de la radiación alfa en tejido. En aire ~ cm Pared de tejido Células Figura: Esquema de energías Átomo de Helio neutro 226Ra , 4.591 MeV 5.7% Partícula alfa , 4.77 MeV 94.3% Pares de iones Producidos por ionización , 0.186 MeV (35% -)* 30 micras 222Rn

2) Desintegración b- (electrones): “por exceso de neutrones” Figura. Ejemplo de desintegración b- : Tritio (1-H-3) Espectro de emisión de una fuente b- Nº de - Energía de - E max Figura. Ejemplo de transición energética: b- ß, 3.55 MeV 82% ß-, 2.04 MeV 18% , 1.153 MeV 42Ca 42K Figura. Ejemplo de desintegración b- : Neutrón

3) Desintegración b+ (positrón) : “por exceso de protones” Figura. Ejemplo de desintegración b+ :11-Na-22 El positrón es un electrón con carga positiva (anti-materia) Figura: Esquema de energías c.e. 10.2% ß+, 0.544 MeV 89.8% , 1.277MeV 22Ne 22Na Sin embargo, el PROTÓN, es estable: “El núcleo de Hidrógeno”

3) Captura electrónica: “por exceso de protones” Figura. Ejemplo de captura electrónica :46-Pd-103 La emisión del positrón requiere una diferencia de masas mayor de 2*me X-ray (K)

4) Transición isomérica Figura. Ejemplo de transición isomérica :54-Xe-131 Figura. Espectro de emisión discreto de energías Nº de  Energía de  La energía de la radiación gamma (g), es energía en forma de radiación electromagnética: Eg = hn = h*c/l

p(decaer en un tiempo Dt)=l*Dt Leyes de desintegración La desintegración de un isótopo radioactivo tiene una ley de probabilidad: p(decaer en un tiempo Dt)=l*Dt Con l, la constante de desintegración [s-1] Para una concentración inicial de nucleidos N, la variación de núcleos: DN=-N*l*Dt Expresión general: DN/Dt=-l*N Integrando esta ecuación: N(t)=N0  e-l*t Una característica de esta ecuación es que tras un periodo de tiempo fijo el número de núcleos ha decaído una cantidad constante respecto a la concentración inicial. De hecho, se define: Periodo de semidesintegración: Tiempo en el que la concentración se reduce a la mitad N0/2=N0*e-(l*T1/2) T1/2=ln2/l [s] T1/2 2T1/2 4T1/2 3T1/2 Ley de desintegración 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 N/N(0)

Radioactividad natural: La radioactividad es un fenómeno natural (1 pCi=0,037 Bq) La radiactividad es un fenómeno bien conocido por la ciencia. Se mide en: Bequerelio [Bq], es el número de desintegraciones por unidad de tiempo (segundo) de un isótopo Tabla. Contenido de elementos radiactivos en el cuerpo humano en pCi/persona Elemento pCi/persona U 2,5 Ra-226 40-300 Ra-228 100 Pb-210 - K-40 100.000 C-14 H-3 1.000 Expresión general de la radiactividad [Bq] A=|DN/Dt|=l*N [desintegraciones/s] Se define 1Ci=3,7x1010 Bq Elemento pCi/litro U 2,2 Ra-226 0,08 Rb-87 2,9 Th-232 0,002 K-40 320 C-14 0,6 H-3 0,03 Tabla. Contenido de radionucleidos en el agua de los océanos en pCi/litro

Interacción de partículas cargadas alfa (a) e - e - e - ionización e - e - El alcance o penetración de a: Si Ea es 7,7 MeV, el alcance en aire es: 6,1900 cm Si Ea es 7,7 MeV, el alcance en agua de: 0,0069 cm e - e - e - e - e - beta (b-) e - ionización e - e - El alcance o penetración de b-: Si Eb=1 MeV, el alcance en aluminio 0,14 cm Si Eb=1 MeV, el alcance en aire 3,7 m e - e - Radiación de aniquilación 0.511 MeV e - e - positrón (b+) e - e - e - e - e - e - e + Ionización y radiación de aniquilación Radiación de aniquilación 0.511 MeV

Interacciones con partículas sin carga Efectos fotoeléctrico, compton y creación de pares fotones e - e - e - e - Núcleo de retroceso Núcleo de retoceso Neutrones rápidos Dispersión elástica del núcleo Y producción de núcleos de retorceso Núcleo de retroceso Neutrones térmicos fotón difusión Absorción con Reacción (n,g)