1clase-5-reacciones-nucleares-y-producion-de-radiosotopos

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Radioactividad y Medioambiente.
Dr. Leonardo Errico
Dra. Luciana Montes
Departamento de Física, Facultad de Ciencias Exactas - UNLP
radioactividadymedioambiente@gmail.com
mailto:errico@fisica.unlp.edu.ar
mailto:giovanettili@gmail.com
Reacciones nucleares
Existen mas de 2700 radionucleidos naturales. Sin embargo, la mayoría de ellos no son de
utilidad para aplicaciones tecnólògicas, industriales o médicas.
- Muy baja abundancia, difíciles de obtener.
- Vidas medias extremadamente cortas o extremadamente largas.
- Muy pesados (ej.: U, Ra, Th) que no son importantes desde el punto de vista de aplicaciones.
(algunos de estos se emplearon como marcadores en los años 1920-1930. Pero debido a sus características
no se usan desde entonces).
Reacciones nucleares
Entonces ¿Qué hacemos?
Procedimiento madre: Reacciones nucleares
Fabricación de radioisótopos de interés. 
Veremos como obtener radioisótopos a partir de elementos estables. Discutiremos varios
procedimientos y las características, ventajas y desventaja de cada uno
Reacciones nucleares
Decaimiento de núcleos inestables y emisión espontánea de partícula α, o β o γ. No se hizo nada
para iniciar este decaimiento y nada se puede hacer para controlarlo.
Rutherford usó partículas α procedentes de fuentes radioactivas naturales. Es posible 
incrementar la energía de los proyectiles usando aceleradores de partículas.
Reacción nuclear: proceso en el que se bombardea un núcleo con una partícula para obtener un
nuevo núcleo por un proceso no natural ni espontáneo (reacciones de este tipo pueden ocurrir
naturalemente, por ej., en la alta atmósfera).
Rutherford, 1919: sugirió que una partícula con suficiente energía cinética podría penetrar en
un núcleo. Resultado: un nuevo núcleo con distinto número atómico y masa
Reacciones nucleares
Cuando dos núcleos, venciendo la repulsión coulombiana, llegan a quedar muy cerca uno del otro
(dentro del alcance de la fuerza nuclear), puede ocurrir un reagrupamiento de los nucleones.
Reacción nuclear.
Bombardeo de un núcleo-blanco con un proyectil (en gral un nucleón o un núcleo liviano).
(no se emplean núcleos pesados por su carga: para vencer la repulsión coulombiana se requiere 
que el proyectil tenga una energía cinética muy alta).
Alguna veces se emplean fotones como proyectiles (fotoreacciones).
En la mayoría de las reacciones se produce la misma u otra partícula, dejando un núcleo final o
residual en su estado fundamental o excitado.
Reacciones nucleares
x + X → y +Y + Q X(x, y) Y
proyectil partícula emitida energía de la reacción
blanco producto
Q = ( mx + Mx – my – MY) c
2
La primera reacción nuclear artificial (1932) fue p+ + 7Li → 8Be → 4He +4He
Reacciones nucleares
Las reacciones nucleares están sujetas a varias leyes de conservación:
- Conservación de carga
- Conservación de la cantidad de movimiento lineal y angular
- Conservación de la energía (si consideramos el Q).
Ley de conservación no prevista en la Física Clásica: conservación del número de nucleones.
(El número de protones y neutrones no necesitan conservarse por separado; hemos visto que en
el decaimiento β los neutrones y los protones se transforman uno en el otro).
Por la conservación del número nucleónico, la suma de los números de masa iniciales debe ser
igual a la suma de los números de masa finales. En gral, colisiones inelásticas y, en consecuencia
la masa total inicial no es igual a la masa total final.
Reacciones nucleares
Para energías no muy altas de las partículas involucradas la reacción se produce en dos etapas:
1- La partícula incidente es capturada, formándose un núcleo intermedio (o compuesto)
2- El núcleo compuesto se desexcita emitiendo una partícula o por algún otro medio.
Reacciones nucleares
núcleo compuesto → Vidas medias extremadamente corta (10-8 s o menos)
El decaimiento no depende de la manera en que se formó
Para una determinada primera etapa de una reacción nuclear, existen varios modos de
desexcitación del núcleo compuesto. Cada modo se denomina canal.
60Ni +  62Zn + 2n
63Cu + p 64Zn* 63Zn + n
63Zn + n 62Cu + p + n
Alguna reacciones nucleares NO PUEDEN ser explicadas a partir del modelo de núcleo
compuesto. Ejemplo:
60Ni +  62Zn + 2n
63Cu + p 64Zn* 63Zn + n
63Zn + n 62Cu + p + n
Elásticas; el núcleo queda en el mismo estado, de modo que la energía cinética se conserva. 
❖ Interacción Coulombiana
❖ Interacción nuclear 
x = y X = Y Q = 0
Reacciones nucleares
Si las partículas incidente y saliente son las mismas,
el proceso se denomina dispersión. 
Inelásticas
❖ partícula emitida igual o distinta al proyectil
❖ interacción con el blanco
❖ transferencia de energía
directa → interacción con un núcleo
(masas atómicas)
Reacciones nucleares
si Q > 0 reacción exotérmica
si Q < 0 reacción endotérmica
(También se usan las expresiones exoérgica y endoérgica)
si Q > 0, la reacción ocurre para todos los valores de la energía cinética del proyectil.
La diferencia entre las masas antes y después de la reacción corresponde a la energía de
reacción, de acuerdo con la relación entre masa y energía E=mc2.
si Q < 0, el proyectil debe tener una energía cinética mínima para producir la reacción.
Reacciones nucleares
El umbral de energía cinética del proyectil en el sistema de referencia L (laboratorio) es:
Si se las puede tratar en forma no relativista (Q pequeño), el umbral en el mismo sistema de
referencia L es:
Reacciones nucleares
En algunos casos, el proyectil es capturado, pero no se emite una nueva partícula si no un γ. 
Un núcleo puede absorber un rayo γ e inducir una reacción nuclear.
Proceso equivalente al efecto fotoeléctrico en átomos: denomina reacción fotonuclear.
Energía del rayo γ : mayor a 10 MeV. 
Reacciones nucleares
El núcleo obtenido en una reacción nuclear puede ser inestable. Método para generar
radionucleídos artificiales: radioactividad artificial (F. Joliot, I. Curie, 1934).
Reacciones nucleares
Algunos ejemplos.
Reacción exotérmica. 
Reacciones nucleares
Algunos ejemplos.
Reacción endotérmica. La energía cinética de la partícula  debe ser mayor que 1.192 MeV.
En este caso, la energía cinética del 
proyectil debe ser al menos 1.533 MeV.
Reacciones nucleares
Para que una partícula cargada penetre en un núcleo y cause una reacción debe tener una
energía cinética suficiente para superar la barrera de potencial causada por las fuerzas
electrostáticas de repulsión.
Aun cuando la reacción es exoérgica, el 
protón debe tener una energía cinética 
mínima de 1.2 MeV para que suceda la 
reacción.
Si consideramos al protón y al núcleo de 7Li con simetría esférica y radio R = 1.07A1/3
sus centros estarán a una distancia de 3.5x10-15 m cuando se toquen.
Energía potencial de repulsión protón (carga +e)-7Li (carga +3e) es:
EJEMPLO: Con Z=1 producto: AGUA PESADA
1H (H “común”): Z=1, N=0, A=1.
2H (deuterio, D): Z=1, N=1, A=2.
En el agua común, 155 PPM de D por H.
En el agua pesada 99.75% de D.
Masa molecular (MM) del Agua Natural: 18 uma
Masa molecular del Agua Pesada: 20 uma.
“Agua Pesada no irradiada”: solamente contiene 1H y 2H (ambos estables). La composición de O
no está modificada (O natural)
En nuestro país se produce en la “Planta Industrial Arroyito”, Neuquén; Capacidad: 200 t/a
Reacciones nucleares
Reacciones nucleares
En un reactor, el agua pesada es irradiada y se vuelve radioactiva.
Sección eficaz
El número de reacciones producidas al irradiar un blanco con un haz de partículas depende de:
- Intensidad del haz de partículas (cantidad
de partículas en el haz),
- El número de núcleos-blanco en la muestra,
- Probabilidad de interacción proyectil-blanco.
Esta probabilidad de interacción está determinada por la 
sección eficaz de activación σ.
Sección eficaz
σ es una medida del número de reacciones por unidad de tiempo y por partícula 
del blanco respecto del número de partículas incidentes
R: Reacciones por unidad de tiempo
n: Partículas en el blanco por unidad de área 
:Partículas incidentes por unidad de área y tiempo.
[σ] = m2
10 -28 m2 = 1 barn
Interpretación geométrica de σ: área efectiva del núcleo-blanco.
σ.n.= R 
σ = R / (n.)
Sección eficaz
σ es característica del núcleo blanco y depende de:
- Tipo de partícula y energía del proyectil.
- La reacción involucrada.
Umbral de energía
(2.5 MeV)
Debido a su importancia en la producción de
radionucleidos, σ para neutrones térmicos
ha sido estudiada con detalle y se reportan
en las tablas de isótopos.
Tasa de activación
Supondremos un blanco delgado, de forma
tal que el haz no cambia al atravesarlo.
n núcleos/cm3.
El número de blancos por
cm2 es nΔx.
El número de reacciones es igual al
número de partículas removidas del
haz, ΔΦ:
En función de la masa atómica
del blanco (AW: peso atómico):
Entonces, la tasa de activaciones por
unidad de masa es:
Tasa de activación
Ususalmente, Φ en el rango
1012 – 1014 partículas/s.cm2
Ejemplo
σ=0.53 b (de tablas)
Φ=1013 neutrones/s.cm2
R = 1.38x1011 activaciones/g.s
Tasa de activación
Ejemplo. 42K se produce a partir de la reacción
σ(41K)=1.2 b
K natural: 39K, 93,2%
41K, 6.8%
Si en el blanco hay mas de una especie, se debe tener en cuenta la abundancia relativa y la
abundancia isotópica del isótopo de interés.
R = 0.068x1.76x1011 = 1.20x1010 activaciones/g .s
R = 1.76x1011 activaciones/g(41K) .s
La tasa de activación son menores a las predichas si el blanco tiene un espesor tal que produce
atenuación del haz.
En el caso que los proyectiles sean partículas cargadas, las mismas pierden energía al
atravesar el blanco, por lo cual cambia σ.
Fusión
Fusión
❖ Combinación de dos o mas núcleos.
)101,5(2,3 1310
3
2
2
1
2
1 JxMeVnHeHH
−++→+
❖ Las reacciones de fusión liberan energía: la energía de enlace por nucleón, después de la
reacción, es mayor que antes del proceso.
❖ Proceso natural en las estrellas
Fusión
En conjunto, las reacciones forman el proceso llamado cadena protón-protón.
Fusión
El efecto neto de la cadena es la conversión de cuatro protones en una partícula α, dos 
positrones, dos neutrinos y dos γ.
La liberación total de energía es 26.73 MeV. 
La energía liberada como luz 
estelar proviene de reacciones 
de fusión en las profundidades 
del interior de la estrella. 
Cuando se forma una estrella, y durante la mayor parte de su vida, convierte el H de su núcleo
en He. A medida que envejece la estrella, la temperatura del núcleo puede elevarse lo
suficiente para que se efectúen otras reacciones de fusión, que convierten al helio en carbono,
oxígeno y otros elementos.
Fusión
Fusión
Fusión
Fusión
La cadena protón-protón sucede en el interior del Sol. En el Sol: 4.5x1023 protones/g.
Si todos ellos se combinaran para formar He, la energía liberada sería de unos 130,000 kWh.
Si el Sol continua irradiando a su tasa actual, unos 75x109 años para agotar sus protones.
las reacciones de fusión sólo pueden efectuarse a temperaturas extremadamente altas; en el
Sol, esas temperaturas sólo se encuentran a gran profundidad en su interior. El Sol no puede
fusionar todos sus protones y sólo lo puede hacer durante unos 10x109 años en total.
La edad del Sol es 4.6x109 años. El Sol consumió la mitad de sus protones disponibles.
Fusión
Para que dos núcleos se fusionen, deben acercarse a una distancia menor del alcance de la
fuerza nuclear: 2x10-15 m.
Deben superar la repulsión eléctrica de sus cargas positivas. Para dos protones a esta
distancia, la energía potencial es del orden de 1x10-13 J=0.7 MeV.
Esta energía representa la energía cinética inicial que deben tener los núcleos que se fusionan.
¿Es mucha o poca energía?
Fisión 
Energía de enlace/nucleón 
aumenta cuando nos movemos 
de A=238 hasta A=56 
(moviéndonos hacia el máximo 
desde grandes A).
La fisión de un núcleo pesado 
para formar dos núcleos mas 
ligeros es una 
reacción exoérgica. 
Fisión
- Proceso de desintegración en el que un núcleo inestable se divide en dos fragmentos.
1938, experimentos de Otto Hahn y Fritz Strassman: 
Bombardeo de U (Z=92) con neutrones. 
Análisis químicos meticulosos mostraron que habían encontrado un isótopo radioactivo del 
Ba (Z=56) y uno del Kr (Z=36).
Lise Meitner-Otto Frisch: núcleos de U se dividen en dos fragmentos masivos
fragmentos de fisión. 
Además, 2 o 3 neutrones y en ocasiones un nucleído ligero como 3H y energía.
La radiación resultante observada no coincidía con la de ningún nucleído radioactivo conocido.
Dos tipos:
Espontánea (natural)
Inducida (por algún proyectil).
Fisión
Fisión espontánea: vidas medias mayores a 106 años. Muy poco probables
Algunos de los elementos que sufren fisión espontánea: 235U y 232Th.
T1/2(fisión natural) del
235U: 7x108 años.
(procesos de fisión espontánea pueden detectarse en rocas con contenidos de U y Th).
Proyectil empleado para inducir la fisión: en general, neutrones (por no tener carga eléctrica
puede aproximarse al núcleo sin experimentar repulsión, ser absorbido e iniciar la fisión).
T1/2(fisión natural) del
238U por fisión espontánea: se estima del orden de 1016 años!
Fisión
El 238U (abundancia: 99.3%) y el 235U (0.7%), como algunos otros nucleidos, se pueden dividir
con facilidad por bombardeo con neutrones.
- 235U con neutrones con energía cinética menor a 1 eV
- 238U sólo con neutrones con energía mínima de 1 MeV (“neutrones rápidos”).
Ojo!!!! Proceso resumido.
Reacción en cadena, masa crítica y reactores
Fisión
Proceso estocástico, diversos fragmentos en cada fisión 
con una ley de probabilidad que depende de A. 
235U + neutrón → 236U*. Se divide en dos fragmentos, casi en forma instantánea.
(En sentido estricto, es el 236U* y no el 235U el que se fisiona, pero se acostumbra hablar de fisión del 235U).
Fisión
Se han encontrado entre los productos de fisión más de 100 nucleídos de más de 20 elementos.
La mayor parte de los fragmentos tienen números de masa de 90 a 100 y de 135 a 145.
Partición asimétrica: fragmento con A bajo y otro con A alto, ambos con alta energía cinética.
Fisión
J)10x (3,2 MeV200 n3 Rb Cs n U -1110
93
37
140
55
1
0
235
92 +++→+
Fisión
Los fragmentos de la fisión siempre tienen demasiados neutrones para ser estables.
Serie de decaimientos β- hasta que se llega a un valor estable de N/Z.
Si uno de los elementos de la cadena de decaimiento tiene una semivida lo suficientemente
larga puede ser extraído de los productos de fisión.
Fisión
Semivida del 99Mo: 65.9 h, lo suficientemente larga como para ser separado por procesos
químicos de los restantes fragmentos de fisión.
Este isótopo es muy importante en Física Médica, ya que su hijo 99mTc es el radionucleido mas
comúnmente empleado en Medicina Nuclear.
Otros productos de fisión de utilidad son 131I y 133Xe.
Ejemplo.
Fisión
En resumen, los radionucleidos producidos por fisión tienen las siguientes características:
- Tienen un exceso de neutrones. Entonces, decaen por emisión β-.
- Son portadores libres. Alta actividad específica de radioisótopo.
- La fisión no es específica. Se forman del orden de 100 isótopos, por lo cual el rendimiento del
radioisótopo de interés es bajo.
Energía liberada en la fisión: 200 MeV 
(comparar con las energías típicas de ´s y 
´s, de unos pocos MeV). 
Fisión
Energía de enlace promedio por nucleón:
7.6 MeV para A=240,
8.5 MeV para A=120.
Estimación del aumento esperado en la
energía de enlace durante la fisión es
8.5 MeV - 7.6 MeV  0.9 MeV/nucleón. 
235U. División en dos fragmentos mas livianos y 2-3 neutrones.
Reacción en cadena, masa crítica y reactores
Para producir la fisión se requiere un material fisil.
- Baja proporción del isótopo fisil  los neutrones serán absorbidos por isótopos no fisionables
(reacción improductiva) o escaparán del material sin interactuar.
- Alta proporción de isótopos fisiles y material es lo suficientemente grande y compacto 
masa crítica  reacción en cadena autosostenida.
Los neutrones liberados pueden iniciar más fisiones:posibilidad de una reacción en cadena
La reacción en cadena puede proceder en forma controlada (reactor) o descontrolada (bomba).
Reacción en cadena, masa crítica y reactores
En promedio, se liberan 2-3 neutrones 
(instantáneos o prompt). 
Energía 0-10 MeV
Promedio: 2 MeV (5-6 MeV por fisión). 
El resto de la energía se libera como :
- Radiación  (gamma prompt, 6 MeV).
- Radiación β prompt (despreciable).
Reacción en cadena, masa crítica y reactores
Eventos posteriores. Reacciones retardadas. (desde t=1 s hasta 1010 años dependiendo de los
productos de fisión).
Productos de Fisión liberan 0.05 neutrones por fisión (neutrones retardados).
Rango de energía: de 100 keV a 1 MeV.
Emisión β y  (radiación retardada). En total, hasta 15 keV.
Reacción en cadena, masa crítica y reactores
Un reactor nuclear es un sistema en el que se usa una reacción nuclear en cadena y
controlada para liberar energía. 
.
Reacción en cadena, masa crítica y reactores
Reacción en cadena, masa crítica y reactores
Reacción en cadena, masa crítica y reactores
Liberación de energía en una reacción nuclear: mucho mayor que en una reacción química.
Cuando el uranio se “quema” y forma dióxido de uranio en la reacción química:
El calor de combustión aproximado es de unos 11 eV por átomo.
La fisión libera unos 200 MeV por átomo, unas 20 millones de veces más energía.
Reacción en cadena, masa crítica y reactores
Reactor nuclear
Reacción en cadena, masa crítica y reactores
En promedio, cada fisión de un núcleo de 235Uproduce unos 2.5 neutrones libres
Se necesita un neutrón (el 40%) para sostener una reacción en cadena.
Es mucho más probable que un núcleo de 235U absorba un neutrón de baja energía (<1 eV) que
uno de los neutrones de mayor energía (>1 MeV) liberado en la fisión.
En un reactor nuclear, los neutrones rápidos son desacelerados por choques con núcleos de un
material moderador para hacer más probable que sigan causando fisiones.
Moderador: generalmente es agua y a veces grafito (recuerden Chernobyl).
El 238U también puede absorber neutrones, transformándose en 239U*, pero con una
probabilidad extremadamente baja: no puede sostener por sí una reacción en cadena.
Por eso, el U que se usa en los reactores se “enriquece” aumentando la proporción del 235U de
0.7% (abundancia natural) hasta un 3% aprox.
Reacción en cadena, masa crítica y reactores
Moderador: bajar la velocidad (energía) de los neutrones
hasta la energía térmica y así iniciar mas eventos de fisión.
Barras de control: exponen o blindan las barras de U.
Material que absorbe neutrones sin fisionarse (Cd o B).
Función: “apagan” la reacción en cadena.
Reacción en cadena, masa crítica y reactores
Los 200-300 Mev liberados por fisión, en general en
forma de calor. Se puede usar, por ejemplo, para generar
electricidad (planta nuclear).
Los radionucleidos de interés se producen como productos de fisión (lo vimos) o al irradiar una
muestra con los neutrones que se producen “activación neutrónica” (lo veremos en breve).
Uno u otro método se usa dependiendo del producto a obtener y la actividad requerida.
Reacción en cadena, masa crítica y reactores
Reacción en cadena, masa crítica y reactores
Representación del primer reactor nuclear del mundo. Debido al secreto de guerra, existen pocas
fotografías del reactor completo, que estaba formado por capas de grafito (moderador) intercaladas con U.
2/12/1942: reacción en cadena autosostenida. Este éxito fue telefoneado de inmediato a Washington con
este mensaje: “El navegante italiano ha aterrizado en el nuevo mundo y encontró muy amables a los nativos”.
El histórico evento tuvo lugar en un laboratorio improvisado en una cancha de frontón bajo las tribunas del
Campo Stagg de la universidad de Chicago, y el navegante italiano era Enrico Fermi.
Reacción en cadena, masa crítica y reactores
Reacción en cadena, masa crítica y reactores
El 20 de diciembre de 1951 un reactor nuclear generó por primera vez electricidad.
Reactor de ensayos EBR-I (1er reactor experimental con Pu como combustible), EEUU.
Encendió cuatro bombitas. Desactivado en 1964.
Reacción en cadena, masa crítica y reactores
El reactor nuclear ruso Obninsk de 5 MWe,
comenzó a generar potencia en 1954.
Primero en conectarse a la red.
Dejó de operar el 30 de abril de 2002
AM-1. Ubicación: Kaluga.
Operador: Obninskiy Institut Atomnoy
Energetiki (NIPE).
Configuración: 1X5 MW Proveedor del
reactor: FSUE "SSC RF - IPPE“ EPC: FSUE
"SSC RF - IPPE", Leningrad Project
Institute
Fue autorizada por el Consejo de Ministros en 1950. Los trabajos comenzaron en julio de 1951
en el sitio de Obninsk Science City. La planta “Atom Mimy” tenía un único reactor moderado
con Be, refrigerado con Pb-Bi y combustible U-Be. Su diseño fue un precursor del Beloyarsk-
300 MW (FBR) que comenzó a funcionar en 1964.
Reacción en cadena, masa crítica y reactores
Les mentimos!!!!!!
Ninguno de esos reactores fueron los primeros.
La naturaleza nos ganó por 1.700 millones de años.
Reactor natural de Oklo.
235U: 0.717% no 0.720% como en
todas la rocas terrestres,
lunares o meteoritos.
Reacción en cadena, masa crítica y reactores
Reacción en cadena, masa crítica y reactores
El enriquecimiento de U siempre va acompañado por el subproducto “U empobrecido”.
Residuos (“colas”) de las plantas de enriquecimiento (concentración de 235U 0.2%. El resto es
básicamente 238U).
Reacción en cadena, masa crítica y reactores
La mayoría de las centrales nucleares usa como combustible U natural o U enriquecido.
Mezcla de 238U (fisionable) y 235U (fisil), con mayor concentración de 235U.
En la cadena de fisiones, el 235U se va agotando.
El 238U también se agota, sufre captura neutrónica dando lugar al 239Pu y 241Pu.
Reacción en cadena, masa crítica y reactores
Reacción en cadena, masa crítica y reactores
Reacción en cadena, masa crítica y reactores
Reacción en cadena, masa crítica y reactores
Reacción en cadena, masa crítica y reactores
En un reactor se liberan unos 15 MeV de energía en la fisión de un núcleo de 235U debido a los
decaimientos β- de los fragmentos de la fisión.
Problema: Aun cuando se haya detenido por completo la reacción en cadena, por inserción de
varillas de control, los decaimientos β- continúan desprendiendo calor,
Para un reactor de 3000 MW esta potencia calorífica es de unos 200 MW. 
En el caso de una pérdida total del refrigerante esta potencia puede causar una fusión del 
núcleo del reactor y la posible ruptura del recipiente de contención. 
Reacción en cadena, masa crítica y reactores
Una planta nuclear típica tiene una capacidad de 
generación eléctrica del orden de 1000 MW. 
En las plantas nucleares modernas, la eficiencia general aproximada es de 0.3.
Se deben generar 3000 MW de potencia térmica mediante fisión 
para generar 1000 MW de potencia eléctrica.
Las turbinas son máquinas térmicas y están
sujetas a las limitaciones de eficiencia que
impone la segunda ley de la termodinámica.
Reacción en cadena, masa crítica y reactores
Pregunta:
¿Qué masa de 235U se debe fisionar cada día para dar 3000 MW de potencia térmica?
- Sabemos que por cada fisión se generan del orden de 200 MeV/átomo.
- Potencia: 3000 MJ (3000x106 J)/segundo.
De esto, se obtiene que en un día (86,400 s) el consumo total de 235U es 3.2 kg.
En comparación, una central eléctrica de 1000 MW alimentada con carbón quema
10600 toneladas de carbón ¡cada día!
Reacción en cadena, masa crítica y reactores
1 kg 235U  3000 toneladas de carbón
1 mg 235U  la energía consumida en una hora por 7500 hogares 
(TV, horno eléctrico, heladera, etc.) 
Recoredemos:
1 ktn  1000 toneladas de TNT
3600J  1 Watt h
Reacción en cadena, masa crítica y reactores
Atucha I
Atucha II
Central Embalse
Reacción en cadena, masa crítica y reactores
Atucha I
TIPO DE REACTOR Recipiente de presión SIEMENS
POTENCIA TÉRMICA 1.179 MWt
POTENCIA ELÉCTRICA 
BRUTA/NETA
357 Mwe
MODERADOR Y 
REFRIGERANTE 
Agua pesada(D20) 
COMBUSTIBLE 
Uranio natural o uranio levemente enriquecido
(0.85%)
GENERADOR 
DE VAPOR 
Dos verticales, tubos en "U" Incolloy 800 
TURBINA
Una etapa de alta presión, tres etapas de baja 
presión . Velocidad: 3.000 rpm
GENERADOR 
ELÉCTRICO 
Dos polos tensión 21 Kv, 50 Hz
Reacción en cadena, masa crítica y reactores
TIPO DE REACTOR Recipiente de Presión
POTENCIA TÉRMICA 2.175 MWt 
POTENCIA ELÉCTRICA 
BRUTA/NETA
745/692 MWe
MODERADOR Y 
REFRIGERANTE 
Agua pesada (D2O) 
COMBUSTIBLE Uranio natural 
GENERADOR 
DE VAPOR 
Dos verticales, tubos en "U" Incolloy
800 
TURBINA
Una etapa de alta presión. Dos etapas de 
baja presión.
Vel.: 1500 rpm. 
GENERADOR ELÉCTRICO 
Cuatro polos. Tensión de generación 21 
KV.
50 Hz 
Atucha II
Reacción en cadena, masa crítica y reactores
Embalse Río Tercero
TIPO DE REACTOR Tubos de presión (CANDU) 
POTENCIA TÉRMICA 2.109 MWt
POTENCIA ELÉCTRICA 
BRUTA/NETA
648 Mwe
MODERADOR Y 
REFRIGERANTE 
Agua pesada (D2O) 
COMBUSTIBLE Uranio natural 
GENERADOR 
DE VAPOR 
Cuatro verticales, tubos en "U" Incolloy 
800 
TURBINA
Una etapa de alta presión, tres etapas de 
baja presión . Velocidad:
1.500 rpm
GENERADOR 
ELÉCTRICO 
Cuatro polos. Tensión
22 KV, 50 Hz 
Reacción en cadena, masa crítica y reactores
Reacción en cadena, masa crítica y reactores
Reacción en cadena, masa crítica y reactores
Activación neutrónica
Al no tener carga, los neutrones no son atraídos o repelidos por el núcleo.
El neutrón puede ser capturado por el núcleo-blanco, dando lugar a una reacción nulcear y por
ende a un radiosiótopo.
Dos tipos de reacciones generalmente ocurren:
Activación neutrónica
?? B
A → B → C
Ya habíamos visto que en el caso de un decaimiento en cadena
Se obtenía:
Para una reacción de activación neutrónica que da lugar a un radioisótopo:
Si hallamos un equivalente a A, problema resuelto!!
A B
A → B → C
Φσ tiene unidades de 1/s, es decir las unidades de la constante de desintegración λ.
Φσ juega el papel de λA.
Supongamos un flujo de neutrones Φ y un blanco con sección eficaz σ.
Φ: usualmente 1013 neutrones/(m2.s)
σ del orden de 10-28 m2
Activación neutrónica
1
Φσ <<B para en caso en que T1/2 del orden 
de unos 50 días.
Activación neutrónica
Máxima actividad (se obtiene para tiempos suficientemente largos comparados con 1/B ). 
El término Φσ implica que el número
de activaciones es una ínfima
fracción del número de blancos.
Baja actividad del radioisótopo.
Activación neutrónica
Radionucleidos de importancia obtenidos por activación neutrónica 
Activación neutrónica
- Dado que la reacción consiste en “añadir” un neutrón, tienden a decaer por emisión β-.
- Baja actividad del producto obtenido.
- Dado que sólo una muy pequeña fracción de blancos se activan (1/106-1/109), alta fracción de
isótopos estables en el producto. No están libres de portadores, baja actividad específica.
Activación mediante aceleradores
Se usan para acelerar partículas livianas como protones, 2H y otras, a altas energías.
Al colisionar contra un blanco pueden producir reacciones nucleares que llevan a la formación
de radionucleidos de manera similar a la activación neutrónica.
Para vencer la repulsión coulombiana deben tener altas energías, del orden de 10-20 MeV.
Tipos de aceleradores: van der Graff
Aceleradores lineales
Diferentes tipos de ciclotrones (el mas ampliamente empleado
para producir de radionucleidos para uso en medicina).
Primer ciclotrón, inventado
por E. O. Lawrence y M. S.
Livingston en 1934.
Ernest O. Lawrence
junto a su ciclotrón,
Berkeley, California.
Activación mediante aceleradores
Activación mediante aceleradores
Decaen generalmente por β+ o C.E.
- Muy baja actividad y mayor
costo de producción que los
obtenidos mediante reactores.
Armas nucleares
Primera prueba A: el 16 de julio de 1945 cerca de Alamogordo, Nuevo México (USA). 20 ktn
Hiroshima: 6 de agosto de 1945. 20 ktn
Nagasaki: 9 de agosto de 1945. 20 ktn
Primeras pruebas H: 1/11/1952, USA, 1953. URSS, 1 de marzo de 1954, USA. 15000 ktn
Ensayos nucleares, desierto de Arizona (USA), Atolón de Mululoa (Francia), Novaya Zemlya
(URSS) y ...
Armas nucleares
❖ Diseñadas para ser utilizadas contra grandes concentraciones de población
❖ La potencia de la bomba resulta devastadora en comparación con los explosivos clásicos
❖ Basadas en la liberación de energía nuclear a gran escala: E = mc2
La potencia de la bomba sólo depende de la capacidad de convertir más masa antes de 
que la reacción disperse los constituyentes.
Armas nucleares
❖Hiroshima  35 kg de 235U  Detonación con una proyectil sobre material fisil
❖Nagasaki  25 kg 239 Pu  Detonación por implosión con un explosivo químico, mecanismo
eléctrico
0.5 kg de 235U equivalen a 9.9 ktn
0.5 kg de 239Pu equivalen a 8.5 ktn 
Armas nucleares
Bomba H
Normalmente el 50% de la energía liberada se obtiene por fisión y el otro 50% por fusión.
❖Material fusionable  2H y 3H
❖Detonadas con bomba de fisión
❖0.5 kg equivalen a 29 ktn
Armas nucleares
❖ Bomba de radiación directa incrementada o de radiación forzada. Derivada de la bomba H
Bomba de neutrones o N
❖ Bajar el porcentaje de energía obtenida por fisión a menos del 50% e incluso a cerca del 5%.
❖ Produce una proporción de radiaciones ionizantes hasta 7 veces mayor que las de una bomba
H, fundamentalmente rayos X y  de alta penetración.
❖ Buena parte de esta radioactividad es de mucha menor duración (menos de 48 horas) que la
de una bomba de fisión: poca destrucción pero mucha afectación y muerte de seres vivos
Armas nucleares
Efectos de la onda expansiva
Onda de choque
Onda de succión
Efectos térmicos
Efectos de la radiactividad
Instantánea
Lluvia Radiactiva
Efectos climáticos
Efectos
Otros usos
Esterilización
La irradiación es un medio privilegiado para destruir en frío microorganismos: hongos,
bacterias, virus.
Numerosas as aplicaciones para la esterilización de objetos, especialmente material médico-
quirúrgico.
Protección de obras de arte
El tratamiento mediante rayos  permite eliminar los hongos, larvas, insectos o bacterias
alojados en el interior de las obras a fin de protegerlas de la degradación.
Se utiliza en tratamientos de conservación y restauración de objetos de arte, etnología,
arqueología.
Otros usos
Elaboración de materiales
La irradiación provoca, en determinadas condiciones, reacciones físico-químicas que permiten
la elaboración de materiales más ligeros y más resistentes, como aislantes, cables eléctricos,
envolventes termoretractables, prótesis, etc.
Radiografía industrial X o gamma
Consiste en registrar la imagen de la perturbación de un haz de rayos X o  provocada por un
objeto.
Permite localizar los fallos, por ejemplo, en las soldaduras, sin destruir los materiales.
Otros usos
Detectores de fugas y los indicadores de nivel
La introducción de un radioelemento en un circuito permite seguir los desplazamientos de un
fluido y detectar fugas y fisuras.
El nivel de un líquido dentro de un depósito, el espesor de una chapa o de un cartón en curso de
su fabricación, la densidad de un producto químico dentro de una cuba, etc. pueden conocerse
utilizando indicadores radioactivos.
Detectores de incendio
Una pequeña fuente radioactiva ioniza los átomos de O y N contenidos en un volumen reducido
de aire. Las partículas de humo modifican esta ionización.
Se utilizan en los comercios, fábricas, despachos, etc. detectores radioactivos sensibles a
cantidades de humo muy pequeñas.
Otros usos
Pinturas luminiscentes
Se trata de las aplicaciones más antiguas de la radioactividad para la lectura de los cuadrantes
de los relojes y de los tableros de instrumentos para la conducción de noche.
Fuente de energía portátil
Sistemas eléctricas que funcionan con pequeñas fuentes radioactivas, 239Pu, 60Co o 90Sr.
Estas reactores se montan lugares pequeños o de difícil acceso tales como satélites, barcos,
submarinos, etc.
Son de tamaño muy reducido y puedenfuncionar sin ninguna operación de mantenimiento
durante años.
Otros usos
Diagnóstico y tratamiento de enfermedades
La glándula tiroides absorbe el yodo que se ingiere en los alimentos. Para su estudio se
administra al paciente 131I. La radiación que emite, una vez fijado en la tiroides es detectada
por un equipo que reproduce la imagen de la misma. Esta técnica se demonina centellografía.
Empleando otros isótopos se pueden detectar lesiones y tumores en distintos órganos.
En el tratamiento, se emplea radiación para destruir células cancerosas ya sea insertando
agujas con material radioactivo en la zona afectada o bien irradiando con rayos X, gamma o
electrones provenientes de un acelerador de partículas o fuentes de 60Co.
Otros usos
Investigación
Mediante la técnica de autorradiografiado se puede estudiar la distribución de fertilizantes
en las plantas. Se emplean fertilizantes que poseen en su composición un nucleído.
Además del 14C, en arqueología y paleontología se utiliza para datación la termoluminiscencia,
decaimiento del 40K, 16O, etc.
Técnicas nucleares y radionucleidos también se utilizan para estudiar propiedades
nanoscópicas de sólidos.