UNIDAD 3: FENÓMENOS NUCLEARES Y SUS APLICACIONES: ENERGÍA NUCLEAR

El átomo por dentro El átomo está formado de: Protones (p+) se ubican en el núcleo Neutrones (n°) del átomo Electrones (e-): Se ubican girando alrededor del núcleo

ÁTOMO CORTEZA NÚCLEO MODELO MECANICO - CUÁNTICO

Modelos atómicos

De la cantidad de protones y neutrones se derivan dos conceptos: El átomo es eléctricamente neutro, es decir la cantidad de protones (p+) es igual a la de electrones (e-). De la cantidad de protones y neutrones se derivan dos conceptos: Z = número atómico, representa la cantidad de protones que posee el átomo. A = número másico, representa la cantidad de protones y neutrones que posee el átomo Recordar que la masa del e- es 1837 veces más pequeña de la del p+ o n° y por esto se desprecia A = p+ + n° A = Z + n°

La identidad de un elemento está determinada siempre por el número de protones del núcleo, es decir, por su número atómico.

El núcleo del átomo Descubrimiento del núcleo del átomo

Ernest Rutherford (1871-1937) Disparó partículas alfa (+) contra finas láminas de oro para analizar sus átomos. La mayor parte atravesaron la barrera. Otras fueron levemente desviadas. Unas pocas rebotaron en algo sólido, compacto y denso.

Según los resultados Rutherford postuló: El átomo esta formado por una región central positiva la llamo núcleo. El núcleo reúne la mayor parte de la masa atómica. En el átomo existen grandes espacios donde se encuentran los electrones

Isótopos Son átomos de un mismo elemento que poseen diferente número másico, es decir, diferente cantidad de neutrones

Cálculo de la masa atómica promedio en los isótopos Masa atómica = A * % abund + A* % abund… promedio 100 Ejercitemos

Isóbaros Son átomos de diferentes elementos, diferente número atómico (Z), pero poseen igual número másico (A) Ej: y

Isotónos Átomos con igual número de neutrones Ej: Boro-12 y Carbono-13 ambos tienen 7 neutrones 512B nº=12-5=7 613C nº=13-6=7

RADIACTIVIDAD Corresponde al rompimiento de algunos núcleos atómicos que emiten radiaciones, transformándose en núcleos distintos

Henri Becquerel (1852-1908) Descubre accidentalmente la radiactividad Con el mineral de uranio que puso en una placa fotográfica, esta se velo. Concluyó que emitía radiación en forma espontánea.

Marie Sklodowska(1867-1934) y Pierre Curie (1859-1906) Comenzaron a buscar otras sustancias radiactivas Comprobaron que todos los minerales de uranio las emitían. Descubren el polonio (Po) y el radio (Ra) Video vida de Marie Curie

Emisiones radiactivas: son de 3 tipos A) Rayos alfa (α) B) Rayos beta (β) C) Rayos gamma (γ)

Rayos alfa (α) Partículas formadas por 2 protones y dos neutrones, carga igual a +2 Es idéntica a un núcleo de helio Como tienen masa elevada viajan con poca velocidad. Tienen gran poder ionizante Menos poder de penetración

Rayos beta (β) También son haces de partículas y se representan como Son idénticas a los electrones, poseen carga -1 Son 7000 veces más pequeñas que las alfa Viajan a una velocidad cercana a la luz Poseen poder de penetración medio

Rayos gamma (γ) Es una radiación electromagnética idéntica a la de la luz, pero con contenido energético muy superior. Son como sutiles “agujas” , desprovistos de masa. Atraviesan la materia con amplios recorridos sin ser detenidos fácilmente. No poseen carga (0)

¿Cómo son detenidas las radiaciones?

Elementos Radiactivos: Existen núcleos de átomos estables, es decir, la cantidad de p+ y n° son iguales o mayor cantidad de neutrones lo que permite su estabilidad. Existen núcleos de átomos inestables, es decir la relación de p+ y n° hace que se escapen partículas de su núcleo lo que se conoce como RADIACIONES

ELEMENTO RADIACTIVO Son aquellos que poseen alguna proporción de átomos con núcleos inestables. Se van desintegrando en sucesivas etapas hasta formar núcleos estables. Todos los elementos cuyo Z >83 son radiactivos. Actividad: Revisa la tabla periódica ¿Cuántos elementos radiactivos hay?

Desintegración nuclear: Ocurre en núcleos inestables para corregir la relación cuantitativa entre p+ y n° Se produce principalmente cuando: Los núcleos son de gran masa Los núcleos poseen exceso de neutrones Los núcleos poseen exceso de protones

a) Núcleos de gran masa Ocurre en núcleo con Z≥83 La fuerza de repulsión entre los p+ tiende a superar la fuerza nuclear. Para estabilizarse liberan partículas alfa, es decir, 2 p+ y 2 n°

b) Núcleos con exceso de neutrones Debe aumentar su cantidad de p+. Por lo que libera partículas negativas de su núcleo Estos son rayos beta negativos

c) Núcleos con exceso de protones Debe aumentar su cantidad de n°. Se liberan los positrones que corresponden a rayos beta positivos CONCLUSIÓN: La desintegración radiactiva está determinada por la proporción de p+ y n° de un núcleo

RADIACIONES A LAS QUE ESTA EXPUESTO EL SER HUMANO

VIDA MEDIA Es el tiempo que necesita la mitad de los átomos de una determinada muestra en sufrir un decaimiento radiactivo.

VIDA MEDIA Comienzo 226 6x1023 Completa 1600 113 3x1023 1/2 3200 56,6 Tiempo después de iniciado el experimento (en años) Masa de la muestra de Ra-226 (g) Número de átomos de Ra-226 que permanece Fracción que permanece de la muestra original Comienzo 226 6x1023 Completa 1600 113 3x1023 1/2 3200 56,6 1,5x1023 1/4

VIDA MEDIA

Los valores de vida media varían Ejemplo: Vida media del He-5 es de 2x10-21 seg. Vida media del U-235 es de 7,1x108 años Vida media del U-238 es de 4,5x109 años ACTIVIDAD: Dada la siguiente carta responde las preguntas planteadas

ACTIVIDAD

ENERGÍA NUCLEAR Es la energía obtenida a partir de las reacciones nucleares.

REACCIONES NUCLEARES: En el núcleo del átomo existen 2 tipos de fuerza: La de repulsión eléctrica que tiende a separar los protones La fuerza nuclear que mantiene a los p+ y n° unidos Para romper un núcleo se debe vencer la fuerza nuclear y para agregarle p+ y n° se requiere superar la fuerza eléctrica “AMBOS PROCESOS LIBERAN GRAN CANTIDAD DE ENEGÍA NUCLEAR”

Las reacciones nucleares son de 2 tipos: Fisión nuclear Fusión nuclear

FISIÓN NUCLEAR Cuando un núcleo pesado se somete a un bombardeo con neutrones este se divide, se forman núcleos más pequeños y estables

FUSIÓN NUCLEAR Es la unión de 2 núcleos pequeños para formar núcleos más pesados y estables. Para que se lleven a cabo es necesario altas temperaturas, 100 millones de grados Celsius. No son contaminantes

REACCIÓN EN CADENA En la fisión nuclear se liberan n° y estos siguen reaccionando con más núcleos de U-235 o Pu-239 lo que hace que se libere mucho calor y la reacción continúa. La reacción solo es posible si hay una mínima cantidad de núcleos fisionables (MASA CRÍTICA) Video energía nuclear

Aplicaciones de la energía nuclear Obtención de electricidad Producción de radioisótopos En la medicina En la industria En la agricultura ACTIVIDAD: SEGÚN GUÍA DE ESTUDIO EXPLICA CADA UNA DE LAS ANTERIORES

Obtención de electricidad Fisión de los núcleos de uranio o plutonio Se libera energía a la forma de calor Calienta el agua para hervirla El vapor de agua mueve las turbinas El movimiento se transforma a energía eléctrica. Se distribuye para su consumo

Producción de radioisótopos Se obtienen de los reactores nucleares Se utilizan como trazadores en los procesos químicos y biológicos Se introduce en el ser vivo para estudiar los procesos que en el ocurren

En la medicina Para tratamiento y diagnóstico de las enfermedades Se da una pequeña dosis a los pacientes lo que permite estudiar la función de ciertos órganos. Ejemplo Na para el corazón y I para la tiriodes

En la industria Los trazadores permiten localizar fugas de líquidos o gases en cañerías subterráneas Ejemplo en oleoductos

En la agricultura Conservan los vegetales más frescos ya que matan las bacterias que causan la descomposición Para el estudio de los procesos que ocurren en las plantas

CENTRAL NUCLEAR

Reactor Nuclear

Elementos de un Reactor Nuclear 1. Núcleo 2. Barras de control 3. Generador de vapor 4. Presionador 5. Vasija 6. Turbina 7. Alternador 8. Bomba 9. Condensador 10. Agua de refrigeración 11. Contención de hormigón

¿Qué es un Reactor Nuclear? Es una instalación física donde se produce, mantiene y controla una reacción nuclear en cadena. 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.

Partes de un reactor nuclear 1.- 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.

2.- 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.

3.- 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.

4.- 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.

5.- 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..

6.- 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.