Aplicaciones como combustible nuclear, cadena de desintegración y vida media del isótopo

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UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE

FACULTAD DE QUIMICA Y BIOLOGIA

Uranio-235; aplicaciones como combustible nuclear, cadena de desintegración y vida media del isótopo.

Carrera:

Técnico en Análisis Químico y Físico (V)

Alumnos:

Javier Ignacio Meléndez Ibáñez

Jonathan Andrés Norambuena Cáceres

Álvaro Jesús Vallejos Herrera

Profesor:

Daniel Valdés Henríquez

Santiago de Chile

 Jueves 28 de Mayo de 2015

Índice

Índice…………………………………………………………………………………Pág. 2

Introducción………………………………………………………………………….Pág. 3

El Uranio-235: Un isótopo radioactivo…………………………………………….Pág. 4

Cadena de desintegración y vida media………………………………………….Pág.6

El U-235 como combustible nuclear………………………………………………Pág.8

Conclusión………………………………………….……………………………….Pág.11

Introducción

Hay un elemento en la naturaleza que tiene 92 protones en su núcleo: es el uranio, el elemento natural con mayor número de protones. El uranio-235 y uranio-238 son isótopos del uranio. Ambos radioactivos.

Actualmente el uranio es el único combustible nuclear utilizado para generar energía. Una tonelada de uranio equivale a 8.000 toneladas de petróleo y 12.000 toneladas de carbón. Cuando el uranio es extraído de la tierra, decimos que tenemos uranio natural, sin embargo este está formado por una mezcla de uranio 238 y uranio 235. De cada 1.000 kilos de uranio natural sólo hay 7 kilos de uranio 235. Este último utilizado como el principal combustible en los reactores nucleares mediante fisión nuclear.

El objetivo de este informe es dar a conocer las características principales de este isótopo llamado uranio 235; su aplicación como combustible, cadena de desintegración y su vida media.

El uranio-235: Un isótopo radioactivo

El uranio-235 (235U) es un isótopo del uranio que se diferencia del uranio-238, el isótopo más común del elemento, en su capacidad para provocar una reacción en cadena de fisión que se expande rápidamente, es decir, que es un isótopo fisible. El uranio-235 es el único isótopo de tipo fisible que se encuentra en la naturaleza.

Reacción en cadena de fisión

Un núcleo que absorba un neutrón libre se dividirá en dos núcleos más ligeros; a esto se le llama fisión nuclear. En el proceso se liberan dos o tres neutrones que prosiguen la reacción.

La primera reacción de fisión nuclear estudiada fue la del uranio-235 bombardeado con neutrones lentos, cuya velocidad es comparable a la de las moléculas de aire a temperatura ambiente. Como producto de tal bombardeo, se han encontrado más de 30 elementos distintos.

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Diagrama de una reacción en cadena como resultado de la fisión de los átomos de uranio-235.

Aunque se puede provocar la fisión de muchos núcleos pesados, únicamente la del uranio-235 es de ocurrencia natural. La del plutonio-239 es artificial y tiene poca importancia práctica.

La característica más relevante en la fisión del uranio-235 no es solo la enorme cantidad de energía liberada, sino el hecho de que se producen más neutrones que los capturados originalmente en el proceso. Esta propiedad hace posible una reacción nuclear en cadena, que es una secuencia de reacciones de fisión nuclear auto-sostenidas.

Los neutrones generados durante los procesos iniciales pueden inducir la fisión en otros núcleos de uranio-235, que a su vez producirán más neutrones, y así sucesivamente. En menos de un segundo, la reacción puede ser incontrolable, pues libera mucho calor hacia los alrededores. En los reactores nucleares, la reacción es ralentizada por la adición de barras de control, que están fabricadas con elementos químicos tales como el boro, el cadmio y el hafnio los cuales pueden absorber un gran número de neutrones.

La fisión de un átomo de 235U genera 200 MeV = 3,2•10-11 J,

es decir, 18 TJ/mol = 77 TJ/kg.

La reacción de fisión es el principio de la primera bomba atómica, manifestación explosiva que mata por el calor generado y por la radiación esparcida en una amplia zona. De manera eficiente, la enorme energía que se libera en el proceso de la fisión nuclear en cadena es aprovechada hoy día en muchos países para producir energía eléctrica mediante reactores nucleares, los cuales también se usan para otros propósitos, como son la producción de isótopos radiactivos y la investigación científica.

Cadena de desintegración y vida media

Se llama cadena de desintegración al conjunto de los radioisótopos que se generan durante el proceso mediante el cual un isótopo radiactivo decae en otro isótopo (llamado hijo), y éste a su vez decae o se desintegra en otro isótopo y así sucesivamente hasta alcanzar un isótopo estable. La forma de decaimiento o desintegración dependerá de los modos de emisión más probables de cada isótopo, siendo lo más común que sean gamma, beta o alfa.

Se ha comprobado que los isótopos de los elementos radiactivos presentan distintos grados de inestabilidad en el tiempo debido a que cada isótopo decae o se transforma en otros siguiendo una serie radioactiva particular. Para referirnos a la velocidad con que ocurren las desintegraciones nucleares utilizamos el concepto de vida media.

La desintegración de uranio es extremadamente lenta, comparada con la desintegración del torio por ejemplo. Cada una de estas desintegraciones tiene un periodo de semi-desintegración, llamado también semivida, característico para cada elemento. La semivida representa el tiempo necesario para que la mitad de la materia radiactiva se desintegre. Además, es independiente de la cantidad de sustancia radiactiva presente y está determinada únicamente por el tipo de núcleo radiactivo. Algunos isótopos radiactivos tienen semividas muy largas, mientras las de otros son extremadamente cortas. A continuación algunos datos importantes del U-235.

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