Reacciones Nucleares

1. Reacción (α, p)

La primera reacción nuclear fue observada por Rutherford en 1919 en un experimento en el que se bombardeó gas nitrógeno (N) con partículas α (alfa) desde una fuente radiactiva. Se obtuvieron como productos oxígeno, hidrógeno y Q, donde Q es la energía liberada o absorbida durante la reacción nuclear.

Si Q es positiva, la energía ha sido liberada y la reacción es exoenergética. Si Q es negativa, la energía ha sido absorbida y la reacción es endoenergética. Q también es llamada energía de desintegración y es igual a la diferencia de masa entre las partículas iniciales y las finales. El mínimo de energía para que tenga lugar la reacción es llamada energía umbral.

La reacción en la cual una partícula α interactúa con un núcleo para formar un núcleo compuesto, el cual inmediatamente se desintegra en un nuevo núcleo por la eyección de un protón, es llamada reacción (α, p).

2. Reacción (α, n)

Esta reacción consiste en el bombardeo de un núcleo con partículas α, con la consiguiente emisión de un neutrón. Un ejemplo típico es la primera reacción empleada para producir pequeñas fuentes de neutrones. Un material que es una mezcla de radio y berilio se usa comúnmente como fuente de neutrones en investigación de laboratorio. En este caso, las partículas α emitidas por el radio bombardean el núcleo de berilio y se eyectan neutrones.

3. Bombardeo de Protones

La mayoría de las reacciones corresponden a la captura de un protón con emisión de un rayo gamma, conocida como reacción (p, γ).

Otras posibles reacciones producidas por bombardeo de protones son del tipo (p, n), (p, d) y (p, α).

4. Bombardeo de Deuterones

Un deuterón es una combinación de un protón y un neutrón. Esta combinación se rompe en el bombardeo con deuterones, dando como resultado un núcleo compuesto que emite un protón o un neutrón.

5. Bombardeo con Neutrones

Como los neutrones no tienen carga, son muy efectivos para penetrar el núcleo y producir una reacción nuclear. Por lo tanto, no necesitan una gran energía para penetrar el núcleo. De hecho, se ha visto que son muy efectivos los neutrones lentos o termales, que son los neutrones con energía igual a la energía térmica de agitación de un material, que es aproximadamente 0,025 eV a temperatura ambiente.

En la práctica, se utiliza una cámara de ionización que está llena con gas boro, como el BF₃. La partícula α producida por la reacción (n, α) con boro, produce la ionización detectada por la cámara.

El proceso más común de captura de neutrones es la reacción (n, γ), en este caso el núcleo compuesto es llevado a un estado excitado y regresa inmediatamente a su estado normal con la emisión de un rayo gamma. Los productos de la reacción (n, γ) en la mayoría de los casos se ha encontrado que son radiactivos, emitiendo partículas β (beta).

6. Fotodesintegración

La interacción entre un fotón de alta energía y un núcleo atómico puede producir una reacción nuclear y la emisión de uno o más nucleones. En la mayoría de los casos, da como resultado la emisión de neutrones por el núcleo. Esta reacción tuvo un umbral de 10,86 MeV. Esto se calcula según la definición de energía umbral, que es la diferencia entre la energía de reposo del núcleo blanco y la del núcleo residual más el nucleón(es) emitido.

Como la energía de reposo de muchos nucleidos se conoce con precisión, el proceso de fotodesintegración se usa como base para calibrar la energía de máquinas productoras de fotones de alta energía.

7. Fisión

Esta reacción se produce por el bombardeo de ciertos nucleidos de alto número atómico con neutrones. El núcleo, después de absorber el neutrón, se divide en otros dos de menor número atómico, así como neutrones adicionales. La energía Q, que corresponde a la diferencia de masa entre las partículas iniciales y las finales, en el ejemplo anterior debe ser mayor a 200 MeV. Esta energía aparece como energía cinética de las partículas producto y como rayos gamma.

Los neutrones generados en el proceso pueden también interactuar con otros nucleidos de uranio produciéndose una reacción en cadena, pero se requiere técnicamente de una masa crítica de material fisionable. La energía generada es enorme, es la mayor fuente de energía (reactores nucleares).

8. Fusión

Es como el inverso de la fisión. Nucleidos de menor masa se combinan. La masa total de las partículas producidas es menor que la de los reactantes, y se libera energía en el proceso. En el ejemplo, la menor masa es de 0,0189 uma, lo que da Q = 17,6 MeV. Este proceso requiere energías de activación mucho mayores que en el proceso de fisión. En este caso, la energía de activación es la energía cinética necesaria para vencer las interacciones repulsivas entre los núcleos o partículas que colisionan; una vez formado el nuevo núcleo se libera una cantidad de energía mucho mayor que la energía cinética que tenían los núcleos antes de la fusión.

Activación

Cuando una cierta cantidad de algún material se coloca en una “pila”, puede llegar a activarse al ser bombardeado con neutrones dentro de la pila. Los elementos pueden hacerse radiactivos por varias reacciones nucleares, algunas de las cuales ya han sido descritas. El rendimiento de una reacción nuclear depende de parámetros tales como:

• El número de partículas bombardeadas.
• El número de núcleos blanco.
• La probabilidad de la ocurrencia de la reacción nuclear.

La probabilidad es llamada “sección eficaz” (σ) para una reacción nuclear y se mide en “barns”, donde 1 barn = 10^-24 cm²/átomo. Depende de:

• La naturaleza del material blanco.
• Del tipo de partículas que bombardearán y de su energía.

Al aproximarse los neutrones al núcleo, pueden producir:

• Una reacción nuclear inmediata, tal como la fisión.
• Se puede producir un nuevo isótopo estable en un estado excitado, el cual entregará su energía en la forma de un fotón gamma.
• O se puede producir un núcleo radiactivo.

Para nuestros propósitos, nos interesa la actividad de un nucleido producido por neutrones lentos o termales.

El flujo de neutrones (n):

• Dependerá del tipo de pila.
• Dependerá de la posición dentro del reactor, ya que el flujo es más alto en el centro y más débil en la periferia.
• Su rango será de 10¹⁰ – 10¹⁴ neutrones/cm²/seg.

Reactores Nucleares

En un reactor nuclear, el proceso de fisión se hace auto sostenible por una reacción en cadena, en la que alguno de los neutrones de la fisión son usados para inducir aún más fisiones. Generalmente, el combustible nuclear es el Uranio 235, el Plutonio y el Torio son otros posibles. El combustible, en la forma de barras cilíndricas, son colocados en una rejilla dentro del corazón del reactor. Los neutrones liberados durante la fisión son neutrones rápidos, ellos tienen que ser desacelerados bajando su energía a termal (± 0,025 eV), por colisión con un nucleido de un material de bajo Z. Tales materiales son llamados “moderadores”. Moderadores típicos son el grafito, Berilio, Agua y Agua pesada. Las barras están inmersas en los moderadores. La reacción es controlada por la inserción de barras que absorben neutrones eficientemente, tales como Cadmio y Boro. La posición de estas barras de control determina el número de neutrones disponibles para inducir la fisión. Uno de los mayores usos de los reactores nucleares es producir energía. El calor generado por la absorción de rayos gamma y neutrones es usado para generar energía eléctrica.

Moderadores: para bajar la energía del neutrón rápido a neutrón termal.

Barras de Control: de cadmio y boro para controlar el flujo.

Los reactores se clasifican:

• Tipo de combustible usado.
• La velocidad de los neutrones usados para iniciar la fisión del combustible.
• Del tipo de moderador.
• De acuerdo al propósito para el cual fue diseñado.

Combustible: Puede ser Uranio natural que contiene una parte de Uranio 235 y 140 partes de Uranio 238, o Uranio enriquecido en el cual la proporción de Uranio 235 es mayor.

Velocidad: Como los neutrones no tienen carga, no producen ionización, al pasar por la materia no pierden su energía. Se puede hacer que pierdan su energía por choque con otros átomos, el tipo de colisión que ocurra determina la energía perdida. Si colisiona con otra partícula de igual masa (núcleo de hidrógeno o protón) en un choque de frente perderá toda su energía y el protón será golpeado hacia afuera con la energía que tenía el neutrón originalmente. Pero, en la mayoría de las colisiones la energía entregada al protón es menor.