Combustible
Piense en todos los diferentes tipos de combustible que existen. Para nuestros vehículos existen combustibles gasolina y diesel. El combustible para nuestro cuerpo es el alimento, y el combustible para los reactores nucleares que generan electricidad son ciertos isótopos radiactivos. Los átomos de elementos que tienen diferentes números de neutrones se denominan isótopos . Un nucleido es un isótopo específico de un elemento. Repasemos algunos isótopos radiactivos que se utilizan como combustible en los reactores.
Combustible nuclear
La gasolina para automóviles no solo se bombea del suelo y se almacena en tanques para que la gente la bombee a sus vehículos. Se refina a partir de petróleo crudo que se extrae del suelo. Lo mismo ocurre con el combustible nuclear, que son gránulos de mineral radiactivo altamente procesado como el uranio. El combustible nuclear es un material que se puede utilizar en un reactor nuclear para generar electricidad. Veamos primero el uranio-235, que es uno de los combustibles utilizados en los reactores nucleares.
U-235
El «235» después del guión en U-235 es la masa atómica de este isótopo de uranio. Dado que el número atómico del uranio es 92 (lo que significa que tiene 92 protones y electrones), la masa restante está formada por neutrones. En U-235, hay 143 neutrones. Esto le da una relación de neutrones a protones de aproximadamente 1,55 a 1. Un nucleido es radiactivo si su relación de neutrones a protones no está entre 1 neutrón por 1 protón y 1,5 neutrones por 1 protón. Esto significa que el U-235 es radiactivo y se desintegra. El U-235 es el producto final que comenzó con la extracción del U-238.
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Desintegración nuclear del U-235
Dado que el U-235 es inestable, emite partículas subatómicas de su núcleo en un esfuerzo por estabilizar su núcleo. Esto se conoce como desintegración radiactiva . El U-235 emite una partícula alfa , que es idéntica a un núcleo de helio. Consiste en dos protones y dos neutrones. Cuando el U-235 emite una partícula alfa, se transmuta en torio-231. La transmutación es el proceso de un elemento que se convierte en otro elemento. La reacción nuclear se muestra en la Reacción 1.
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¡El tiempo necesario para que la mitad de una muestra de U-235 se convierta en Th-231 es de poco más de 700 millones de años! Este valor se conoce como vida media del U-235. Ahora que hemos cubierto las características básicas del U-235, veamos cómo se usa como combustible nuclear.
Combustible U-235
Después de que el U-238 se extrae y se procesa para hacer U-235, se forma en gránulos. Estos gránulos se apilan en pilas de combustible y se colocan en el núcleo de un reactor nuclear. Cuando estos átomos de uranio absorben un neutrón, se separan emitiendo enormes cantidades de energía junto con más neutrones. Estos neutrones son absorbidos por otros átomos de uranio haciendo que se dividan liberando energía. Esta energía se utiliza para convertir el agua líquida en vapor de alta energía, que hace que las turbinas generen electricidad. El combustible generalmente se «agota» después de 1,5 a 3 años y debe almacenarse o reprocesarse. ¡Ahora dirijamos nuestra atención a otro combustible nuclear, que se crea con la ayuda del U-235, pero que también se descompone para producir U-235!
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Pu-239
Pu-239 es plutonio-239, que tiene 94 protones y 145 neutrones. Su relación de neutrones a protones es de 1,54, lo que lo hace radiactivo. Pu-239 tiene una vida media de más de 24.000 años, es un emisor de partículas alfa y se desintegra en U-235.
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Pu-239 no se encuentra en la naturaleza, pero se genera en reactores nucleares. Desafortunadamente, su vida media es demasiado larga para ser una fuente factible de U-235. Veamos cómo se produce Pu-235.
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Cuando el U-235 está liberando energía en el núcleo de un reactor, también está liberando neutrones, como discutimos anteriormente. El isótopo de uranio que abunda en la corteza terrestre, el U-238, también se encuentra en el núcleo del reactor absorbiendo estos neutrones. Cuando un átomo de U-238 absorbe un neutrón, se convierte en U-239 y se desintegra emitiendo el equivalente de un electrón, que se llama partícula beta. El nuevo isótopo creado es el neptunio-239. El átomo de Np-239 emite una partícula beta para convertirse en Pu-239. Pu-239 es una partícula alfa emitida y fisionable, lo que significa que se puede utilizar como combustible nuclear.
Resumen de la lección
Los isótopos son versiones diferentes del mismo elemento, pero difieren en su número de neutrones. Los nucleidos son isótopos específicos de un elemento. El U-235 es un núclido de uranio y el Pu-239 es un núclido de plutonio. Ambos nucleidos se utilizan como combustible nuclear en reactores nucleares.
Cuando un nucleido tiene una relación de neutrones a protones fuera de 1 n: 1 p a 1,5 n: 1 p, es radiactivo. Esto significa que sufre una desintegración radiactiva , que es la liberación de partículas subatómicas de su núcleo. El U-235 libera una partícula alfa, que es una partícula que consta de dos neutrones y dos protones. Pu-239 también es un emisor de partículas alfa y genera U-235. La conversión nuclear de un nucleido en otro se llama transmutación .
El U-235 se refina a partir del U-238 y cuando el U-235 absorbe un neutrón en el núcleo de un reactor nuclear, se divide emitiendo neutrones y mucha energía. Esta energía se utiliza para convertir el agua en vapor de alta energía, que se utiliza para generar electricidad.
El Pu-239 se genera en el núcleo de un reactor nuclear cuando el U-239, que también está presente en el núcleo, absorbe un neutrón. El U-239 se desintegra para formar Np-239, que se desintegra para formar Pu-239.
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