Energia Nuclear Con Energias Renovables

Héctor Eduardo Balboa López Energías renovables

Energía por fisión y combinaciones con energías renovables.

Objetivo

En esta investigación se busca un mayor aprovechamiento de nuestras fuentes de energía, mediante el trabajo combinado de éstas.

Fisión Nuclear

La fisión es un proceso del núcleo de los átomos que conlleva la separación en partes del mismo y la producción de energía en forma de calor, radiación electromagnética y de partículas.

La fisión es energéticamente favorable, ya que la energía de enlace por nucleón es aproximadamente 1 MeV(mega electrón-volt) mayor para un núcleo con A=100 (A el numero de nucleones) que para un núcleo con A=200, entonces para un núcleo con A=100 se necesita menos energía para que los nucleones estén unidos, por lo tanto al separarlo en 2 sistemas más fuertemente unidos la perdida en la energía potencial es más o menos de 200 MeV, como se muestra en la imagen 1. Esto se gana en energía cinética para los fragmentos, cabe mencionar que los productos de la reacción no son siempre los mismos esto se considera un proceso estadístico.

Imagen1: Energía de enlace Vs A

Para explicar la fisión se puede utilizar el modelo de la gota de agua. El modelo de la gota de agua propone al nucleó como un conjunto de nucleones con la misma energía, al contrario del modelo de capas que propone niveles de energía, aunque por su simplicidad ayuda a entender mejor el proceso de fisión. Por ejemplo si un núcleo de (_^235)U captura un neutrón con energía cinética despreciable, el átomo (_^236)U resultante no estará en su estado base, la masa de este núcleo está dada por:

(_^235)M+ m_n=(_^236)U(excitado)=235.043924 u+1.008665 u=236.052589 u…..(1)

Con m_n la masa en reposo del neutrón, (_^235)M la masa en reposo del (_^235)U y u es gramos sobre mol. La masa obtenida experimentalmente del estado base del (_^236)U es 256.045562, así el núcleo de (_^236)U formado por la captura de un neutrón lento, se encuentra en un estado excitado con energía E=6.54 MeV (El valor de esta energía se obtiene de las resta del la masa del estado excito de (_^236)U y de su masa en reposo, también sabiendo en la equivalencia energía-masa dada por E=mc^2)arriba del estado base. Esta energía usualmente se muestra en un modo colectivo de vibración así el núcleo oscila entre una esfera alargada y una esfera aplanada. Estas discrepancias en la esfericidad incrementan la energía de tensión superficial de la gota de agua; por otro lado si incrementamos el promedio de separación entre las cargas positivas en el núcleo la energía Coulombiana decrece. Ahora bien para pequeñas oscilaciones la energía de tensión superficial domina; mientras que para largas amplitudes de oscilación el decremento en la energía Coulombiana supera a la energía de tensión superficial, así la esfera aplanada desarrolla un cuello angosto y la gota de líquido se separa en 2 gotas más pequeñas las cuales se repelen mutuamente. Dicho proceso se muestra en grandes rasgos en la imagen 2

Imagen 2: Proceso de separación de una gota de agua

Para entender mejor la eficiencia en los diferentes procesos de fisión, definiremos la sección transversal para una reacción, que es el número de reacciones por unidad de tiempo por partícula objetivo dividida por el flujo incidente (número de partículas incidentes por unidad de tiempo por unidad de área), nótese que tiene unidad de área. La sección transversal se puede pensar como el área efectiva presentada por el núcleo de la partícula objetivo para las partículas incidentes para una reacción en específico. Como el área efectiva a veces es del orden de magnitud de la sección transversal geométrica del núcleo, se estableció una unidad llamada barn, tal que 1 barn=〖10〗^(-28) m

σ=R/NI

Con R la tasa de reacción, N es el número de partículas objetivo e I es el flujo incidente.

Es importante mencionar por ser el material más utiliza en los reactores que el uranio tiene 2 isótopos con vida larga (_^235)U y (_^238)U cuya abundancia es de 0.7 % y 99.3% Cálculos como los de la expresión (1) muestran que cuando un átomo de (_^238)U captura un neutrón lento da como resultado un estado excitado de (_^(239 ))U con una energía de 4.78 Mev, lo cual está muy por debajo del umbral de fisión (energía necesaria para empezar la fisión para cada elemento). La diferencia entre la energía de excitación entre (_^236)U y (_^239)U se atribuye a la energía de emparejamiento(energía que hace tender a los núcleos para que tengan igual número de protones que de neutrones), la cual se representa con el último término de la formula semiempírica mostrada a continuación (2). Esta diferencia está sobre los 1.5 MeV por lo tanto el (_^238)U se fisiona con la absorción de neutrones energéticos que cumplen con Ke(Energía cinetica) > 1.5 MeV, la sección transversal de esta reacción es 3 órdenes de magnitud meyor que la fisión con neutrones lentos de (_^235)U . Los núcleos con A impar como (_94^239)Pu,(_94^241)Pu,(_92^233)U y (_92^235)U son ejemplos de núcleos fisionables i.e núcleos cuya fisión es inducida incluso con neutrones lentos mientras que núcleos con A par como (_94^240)Pu,(_94^242)Pu, (_92^238)U y (_90^232)Th necesitan un neutrón energético para inducir la fisión.

………(2)

Donde las a minúsculas son constantes obtenidas experimentales, Z es el numero de protones y la delta es 0 para A par, -(a_p/A^(1/2)) para Z, N impares y (a_p/A^(1/2)) para Z, N pares. A bajas energías por debajo de 0.1 eV, la sección transversal de fisión y la sección transversal total para la captura de neutrones son grandes para el (_^235)U , esto porque hay un estado excitado del (_^236)U justo cerca de E=0, en este punto la fracción entre las secciones transversales es de 84% es decir hay una probabilidad del 84% de que comience la fusión. Para la región que va de 1eV hasta 1KeV, donde las resonancias predominan, la sección transversal corresponde a captura radiativa (formación de uranio 236 por absorción de alfas). La sección transversal de fisión para el uranio 238 aparece a partir de 1.4 MeV

El tiempo en el que ocurre la fisión es muy corto, por ejemplo para el (_^235)U la fisión ocurre en un tiempo de 〖10〗^(-14) s después de la absorción del neutrón. Con la fisión generalmente se producen 2 fragmentos muy altamente excitados los cuales emiten rápidamente neutrones. El número promedio v de estos neutrones inmediatos para el (_^235)U

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