QUIMICA Y LA ENERGIA NUCLEAR

EQUIPO # 7

Garca Contreras Alicia

Lorenzo Garca Jessica Montserrat

Reyes de los santos Crecencio

PRIMER SEMESTRE

SECCION 5

FISICA QUIMICA I

M.C. Nuria Gmez Dorantes

Fecha: lunes 24 de noviembre de 2014

INTRODUCCIN

La qumica nuclear es solo una de las ramas de la qumica que se especializa en el estudio de la radioactividad de los elementos tales como los actnidos, radio y radn, Incluye el estudio de los efectos qumicos como resultado de la absorcin de radiacin dentro de los animales, plantas y otros materiales, incluye el estudio de la produccin y uso de fuentes radioactivas para cierta gama de procesos y Tambin incluye el estudio y uso de procesos nucleares en reas no radioactivas de la actividad humana. Por ejemplo, la espectroscopia de resonancia magntica nuclear (RMN) es comnmente utilizada en sntesis de qumica orgnica, fisicoqumica

La energa nuclear es la energa que es obtenida al manipular la estructura de un tomo. Es aquella que se genera mediante un proceso en el que se desintegran los tomos de un elemento como el uranio o el plutonio entre otros, se puede obtener mediante la divisin de un ncleo o la unin de dos tomos. La energa que librera el uranio al desintegrarse sus tomos producen calor con la que es hervida el agua que se encuentra en los reactores nucleares. Est energa generalmente es aprovechada para generar energa elctrica en los centrales nucleares, tambin es aplicable en muchas otras reas.

El estudio de la qumica y de la energa nuclear tienen muchos puntos en comn, tanto por los procesos que requieren, como por los elementos necesarios para llevar a cabo dichos procesos, a pesar de las muchas ventajas de la energa nuclear y sus diversas aplicaciones, existen tambin muchas desventajas que afectan principalmente a los seres vivos y su entorno.

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QUIMICA

La qumica es la ciencia que se dedica al estudio de la estructura, propiedades, composicin y transformacin de la materia. Es posible considerar a la qumica de hoy como una actualizacin o una forma evolucionada de la antigua alquimia. Existen diversas disciplinas dentro de la qumica, que se agrupan segn el tipo de estudio que realizan o la clase de materia que estudian. Cabe destacar que la qumica tambin analiza los cambios que suceden en la materia durante las llamadas reacciones qumicas.

A grandes rasgos la qumica se divide en dos grupos bien definidos, la qumica orgnica y la qumica inorgnica. La qumica orgnica es la encargada de estudiar las reacciones qumicas y la combinacin de los tomos de carbono, hidrocarburos y los derivados de ambos, alcanzando a todos los elementos naturales y los tejidos orgnicos (vivos). Ofrece soluciones para mejorar la calidad de vida del ser humano, en campos como la higiene, la salud y la utilizacin de nuevos materiales que no sean nocivos para la ecologa del entorno. Por su parte, la qumica inorgnica estudia a los minerales y los productos artificiales conseguidos a partir de reacciones qumicas.

ENERGA NUCLEAR. La energa nuclear es la energa que se obtiene al manipular la estructura interna de los tomos. Se puede obtener mediante la divisin del ncleo (fisin nuclear) o la unin de dos tomos (fusin nuclear). La energa nuclear es aquella que se genera mediante un proceso en el que se desintegran los tomos de un material denominado uranio. La energa que libera el uranio al desintegrarse sus tomos produce calor con el que se hierve el agua que se encuentra en los reactores nucleares. Al hervir, el agua genera vapor con el que se mueven las turbinas que se encuentran dentro de los reactores, consiguiendo as producir electricidad. En las reacciones qumicas se producen cambios en la distribucin de los electrones que giran alrededor de los ncleos, mientras que en las reacciones nucleares son los propios ncleos los que sufren cambios. Por otro lado, en una reaccin qumica, la masa de los productos al principio y al final es la misma, mientras que los productos obtenidos en una reaccin nuclear suman menos masa que los productos iniciales. La diferencia de masa slo puede traducirse en una produccin de energa: la materia no se puede crear ni destruir, solo se transforma; en este caso, en energa. Existen dos formas de utilizar la energa nuclear: por reacciones de fisin y por reacciones de fusin.

Uno de los problemas tcnicos esenciales consiste en controlar esta energa de forma segura. Las reacciones de fisin han sido controladas tcnicamente para la produccin de energa. Los combustibles empleados son determinados istopos de uranio o plutonio que son bombardeados por neutrones. En cierto modo, los neutrones son como la cerilla que prende el fuego nuclear. Cuando se quiere regular cualquier proceso tcnico hay que recurrir a sistemas de control, que sean lo ms sencillos y fiables posibles.

El sistema que se emplea para el control de las reacciones nucleares consiste en recurrir a un moderador, excepto en el caso del reactor reproductor rpido. Los moderadores son sustancias que frenan las velocidades de los neutrones y, por ello, disminuyen las reacciones nucleares y la energa liberada.

Generalmente, esta energa (que se obtiene en forma de calor) se aprovecha para generar energa elctrica en las centrales nucleares, aunque se puede utilizar en muchas otras aplicaciones. Se trata de una web que constantemente est ampliando y revisando sus contenidos, as que si vuelves dentro de un tiempo posiblemente encuentres informacin nueva.

RADIACIN

Consiste en la propagacin de energa en forma de ondas electromagnticas o partculas subatmicas a travs del vaco o de un medio material. Ondas electromagnticas (rayos UV, rayos gamma, rayos X, etc.) se llama radiacin electromagntica, mientras que la llamada radiacin corpuscular es la radiacin transmitida en forma de partculas subatmicas (partculas , partculas , neutrones, etc.) que se mueven a gran velocidad, con apreciable transporte de energa.

RADIACIN NUCLEAR La emisin de partculas desde un ncleo inestable se denomina desintegracin radiactiva. Y solo sucede cuando hay un excedente de energa en el radio de la rbita.

TIPOS DE RADIACIONES

Los residuos radiactivos, en su proceso de desintegracin, en el que emiten radiaciones, no pueden desactivarse. Siguen un constante latido radiactivo en el que emiten:

Radiaciones alfa (a). Son partculas de carga elctrica positiva, similares a los iones de helio, poseen dos protones y dos neutrones. Su velocidad es de 20.000 km/s y su poder de penetracin en la materia es muy escaso. Las detiene una lmina de aluminio de 1 mm de espesor.

Radiaciones beta (). Estn constituidas por partculas de carga elctrica negativa y tienen masa y carga similares a las de los electrones. Son emitidas por los materiales radiactivos a la velocidad de la luz. Por poseer menos masa que las partculas alfa tienen menos energa, pero su poder de penetracin es mayor Las detiene una lmina de aluminio de 5 mm de espesor

Radiaciones gamma. Son radiaciones electromagnticas ondulatorias que no tienen ninguna partcula asociada, Son anlogas a los rayos X y tienen un poder de penetracin muy alto. Atraviesan gruesos espesores metlicos y slo son detenidas por blindajes gruesos de plomo. Para conocer la vida media de un elemento radiactivo se utiliza el concepto de periodo de se mide integracin, que es el tiempo que debe transcurrir para que cierto nmero de tomos radiactivos se reduzcan a la mitad. Este valor vara de unos elementos a otros, siendo de 24.000 aos para el plutonio, de 4.670 aos para el uranio-238, de 30 aos para el cesio-137 y de 28 aos para el estroncio-90.

Por otro lado, los residuos nucleares suelen clasificarse como de baja, media y alta actividad. Los residuos de baja y media actividad estn constituidos por ropas, guantes, herramientas, componentes sustituidos, etc. Los residuos de alta actividad los forman los combustibles gastados o las disoluciones residuales del reprocesamiento del combustible un

clear. El verdadero problema de los residuos nucleares lo crean, sobre todo, los de alta actividad. Algunos de ellos, con vidas de miles de aos.

CONTAMINACIN RADIOACTIVA La energa nuclear se ha convertido desde su descubrimiento, por causa de su peligrosidad, en una de las mayores preocupaciones para la comunidad internacional y los diferentes grupos defensores del medio ambiente. Aunque la produccin de esta energa sea una de las ms baratas en la actualidad, mucho

ms que las energas fsiles, tiene problemas aadidos ms que evidentes en el tratamiento de sus desechos, en la contaminacin producida por accidentes y en las pruebas realizadas en su aplicacin militar.

El gran salto cuantitativo lo dio el descubrimiento, hacia 1938-1939, de que la fisin, esto es, la separacin del ncleo de un tomo en otros elementos, liberaba gran cantidad de energa. Desgraciadamente esta energa, a pesar de su rendimiento, es tambin altamente peligrosa -recurdese que uno de sus primeros usos fue el militar en Hiroshima y Nagasaki Tnganse en cuenta tambin los desastres de Chernbil y las fugas radiactivas, paradas de reactores por problemas diversos, aparte de los problemas que no se dan a conocer.

La alternativa de futuro es la fusin nuclear. Pero antes de continuar conviene aclarar algunos conceptos fundamentales. La energa nuclear debe su nombre a que se basa en el poder de los ncleos de los tomos, por lo que debemos definir qu es un tomo, lo cual no resulta del todo fcil.

TCNICAS DE APROVECHAMIENTO DE LA ENERGA NUCLEAR En el interior de un reactor nuclear se libera una gran cantidad de energa en forma de calor Este calor ha de ser evacuado constantemente por un refrigerante, el cual acta como un vehculo que traslada la energa trmica del reactor nuclear a una turbina que mueve un generador de electricidad. Este es el principio del funcionamiento de una central nuclear.

Los reactores nucleares pueden clasificarse atendiendo a varios criterios:

Segn la velocidad de los neutrones que producen las reacciones de fusin: reactores rpidos y reactores trmicos.

Segn el combustible que utiliza el reactor: uranio natural o uranio enriquecido.

Segn el moderador utilizado: agua ligera, agua pesada o grafito.

Segn el tipo de refrigerante. Algunos reactores emplean como refrigerante el agua (ligera o pesada), que les sirve tambin de moderador; otros refrigerantes posibles son: anhdrido carbnico y helio, aire, metales lquidos o sales fundidas.

COMBUSTIBLE NUCLEAR

El trmino combustible nuclear puede referirse tanto al material fusionadle por s mismo como al conjunto elaborado y utilizado finalmente, es decir, los haces o

manojos de combustible, compuestos por barras que contienen el material fisionable en su interior, aquellas configuraciones que incluyen el combustible junto con el moderador o cualquier otra. Los combustibles nucleares son materiales que pueden ser quemados por fisin o fusin nuclear para producir energa. La energa nuclear es aquella que se libera mediante la divisin de los ncleos atmicos o forzando los ncleos de los tomos. El concepto de combustible nuclear bien puede referirse al propio combustible o a objetos fsicos compuestos del material combustible, que se mezcla con otros materiales.

Es importante entender qu son la fisin y la fusin. La fisin consiste en un proceso de desintegracin radioactiva en el cual el ncleo de una partcula se divide en ncleos ms ligeros, lo que produce neutrones y fotones libres y libera muchsima energa. La fusin, en trminos claros, es una reaccin nuclear en la que dos o ms ncleos atmicos chocan a rpidas velocidades y se unen, formando un nuevo tipo de ncleo atmico.

Los principales combustibles nucleares son el uranio y el plutonio, que son metales radioactivos. No se queman para liberar energa, sino que las reacciones de fisin y fusin nuclear en los combustibles liberan energa trmica.

CICLO DEL COMBUSTIBLE NUCLEAR

Un combustible qumico, por ejemplo el carbn, se toma de la naturaleza y casi directamente est disponible para producir energa. Una vez empleado, queda agotado en forma de residuos gaseosos y escorias que son inservibles desde un punto de vista energtico. Los combustibles nucleares, sin embargo, no estn listos para su uso ni tampoco se gastan totalmente en cada una de las cargas del reactor de la central. En un reactor nuclear convencional PWR o BWR no se convierte en energa toda la masa del uranio, sino una pequea parte: aproximadamente el 1%.

Muchas centrales nucleares funcionan con uranio enriquecido. El uranio natural debe enriquecerse mediante procesos tcnicos muy sofisticados. Cuando el combustible nuclear ha sido empleado, no slo tiene residuos inertes, sino que hay restos que siguen emitiendo radiaciones durante muchos aos; una parte importante de ellos puede volver a emplearse para producir ms energa, una vez tratados de forma adecuada.

La extraccin de minerales radiactivos, la elaboracin del combustible y el tratamiento posterior de los residuos constituyen el ciclo del combustible. En resumen, las etapas de este proceso son:

a) Obtencin y preparacin del combustible nuclear. La minera del uranio y del torio permite obtener el mineral que

posteriormente, tras la conversin en la forma qumica adecuada, ha de enriquecerse con istopos fisibles.

b) Irradiacin. En esta etapa, el combustible es irradiado por neutrones que provocan la fisin de los ncleos atmicos, produciendo energa.

c) Recuperacin, tratamiento y almacenamiento. En esta etapa se reelaboran los materiales energticos todava frtiles para producir ms energa y se tratan convenientemente los residuos radiactivos.

Los programas nucleares comienzan con la extraccin del mineral de uranio de los yacimientos que se hallan al aire libre o en el subsuelo. Posteriormente, se concentran y se convierten en hexafluoruro de uranio (UF). El hexafluoruro ha de enriquecerse aadiendo una mayor cantidad del istopo U-235, que es mucho ms fisionable que el U-238. El UF6, una vez enriquecido, se transforma en xido de uranio (U02) en polvo. Este polvo sirve para la preparacin del combustible en forma de pastillas que posteriormente se introducen en la barras de combustible del reactor nuclear de la central.

En las reacciones de fisin y fusin nuclear se libera una gran cantidad de energa en un breve espacio de tiempo. Esto posibilita su utilizacin con fines destructores, dando lugar a las conocidas bomba atmica (A) y bomba de hidrgeno (H).

BOMBA ATMICA O DE FISIN Su fundamento es el mismo que el del reactor nuclear. Lo nico que los diferencia es que en este caso no se contraa la reaccin, y sta se hace explosiva al ser el factor de multiplicacin mayor que 1.

La reaccin de fisin en cadena se inicia en el momento en que un neutrn incida sobre una masa de combustible superior a la crtica. Por tanto, para poder manipular este tipo de armas es preciso que no se alcance la masa crtica antes del momento deseado, lo cual se consigue por dos procedimtenos: por choque y por compresin.

Por choque. Se disponen en los extremos de un cilindro dos masas de U-235 o Pu-239 interiores a la crtica, y se mantienen separadas y protegidas por materiales captadores de neutrones; de esta forma, se evita una posible explosin durante el transporte. Mediante la accin de un explosivo clsico bomba de dinamita que acta de espoleta, se empujan los trozos de uranio o plutonio uno contra otro, juntandolos. De este modo se consigue el (tamao crtico), se inicia la reaccin y sta prosigue de forma incontrolada. Por compresin. Se rodea una masa inferior a la crtica con una cubierta esfrica de un explosivo convencional, que se hace detonar instantneamente en el momento deseado, originando una onda de choque dirigida hacia el centro geomtrico de la masa, que se comprime y se convierte en crtica.

ENERGA NUCLEAR DE FUSIN Desde 1960, los esfuerzos de investigacin de mltiples pases se encaminan a la obtencin de mtodos que hagan rentable una utilizacin pacfica de la energa de fusin. Los inicios de la experimentacin corresponden a la antigua URSS, con el proceso ya clsico de confinamiento lento o mtodo Tokamaks (mquina de cmara toroidal). En todos ellos se parte de un almacenamiento del plasma ncleos atmicos desprovistos de los electrones corticales, mediante la accin de potentsimos campos magnticos (botellas magnticas), comprimirlo despus para elevar la temperatura y conseguir la densidad necesaria para que tenga lugar la fusin nuclear.

La investigacin se orienta hacia el llamado mtodo de confinamiento inercial, en el que el lser desempea un papel importante; de ah que el avance de dicha investigacin est supeditado al desarrollo de la tecnologa lser de alta potenciadado el avance tan rpido de la ciencia, es de esperar que los prximos aos proporcionen a la Humanidad el aprovechamiento industrial de esta nueva fuente de energa, considerada por muchos cientficos como la energa del futuro.

El posible aprovechamiento a escala industrial de la energa nuclear de fusin presenta indudablemente dos grandes ventajas con respecto a la energa de fisin:

Utiliza como materias primas istopos del hidrgeno que, aunque porcentualmente escasos, abundan en la naturaleza dada la gran cantidad de hidrgeno existente en el agua de mares y ocanos.

Es una energa limpia, pues no se generan istopos radiactivos como en el caso de la fisin.

No obstante, probablemente presente tambin algunos peligros, relacionados con la utilizacin de importantes cantidades de tritio, por una parte, y con la produccin de neutrones energticos, por otra. Aunque los riesgos biolgicos de estas radiaciones an no han sido suficientemente estudiados, convendr en el futuro extremar las precauciones a fin de evitar que una energa en principio muy limpia pueda convertirse en foco de contaminacin medioambiental.

VENTAJAS

Como combustible para la fisin nuclear se usan barras de uranio. Se pueden obtener grandes cantidades de energa con una pequea cantidad de

uranio, es decir, la energa nuclear es barata. No produce humo ni dixido de carbono, ni favorece el efecto invernadero; en

consecuencia, resulta til como sustituto de los combustibles fsiles.

DESVENTAJAS

La energa nuclear no es renovable. A fin de cuentas, los recursos de uranio son finitos, y cuando se terminen las reservas no se podr usar ms este tipo de energa. Pero, de momento, estas reservas son grandes.

Las centrales nucleares actuales son muy fiables, pero se deben destinar importantes cantidades de dinero para garantizar su seguridad. Y si, por cualquier motivo, sucediese algo, el accidente nuclear sera un desastre inconmensurable.

El principal problema de las centrales nucleares lo constituyen los residuos radiactivos. No generan gran cantidad de basura o residuos. Hay desarrolladas tcnicas que permiten recuperar ms energa del uranio utilizado, con lo que cada vez se genera menos basura nuclear. Pero ese poquito que generan es extraordinariamente peligroso dado que para que se reduzca la radiactividad que emite la basura radiactiva hacen falta aos y ms aos, an no saben qu hacer con ella.Pero siendo como es la energa que puede sustituir a los combustibles fsiles de manera masiva y barata, se oyen cada vez ms fuertes, procedentes

de los ms diversos mbitos, las voces que claman por impulsar nuevamente la energa nuclear.

LOS RESIDUOS NUCLEARES

La utilizacin de la energa nuclear, tanto en la produccin de energa elctrica, as como algunas aplicaciones mdicas cientficas o industriales, generan residuos radiactivos. La mayor parte de los problemas causados por dichos residuos se debe al ciclo del combustible nuclear de los reactores y a las aplicaciones blicas.

Los residuos orgnicos tienen una vida muy limitada; su biodegradacin y descomposicin se realiza en muy poco tiempo. Los residuos qumicos tienen una vida mayor, tanto ms cuanto ms lentos sean sus procesos de oxidacin o ms estables sean sus compuestos frente a los agentes biolgicos y atmosfricos; en cualquier caso, su actividad qumica, cuando sta es nociva, se

puede desactivar mediante procesos tecnolgicos ya conocidos. Por ejemplo, en el caso del cianuro, su degradacin es muy complicada y se recurre a su oxidacin mediante el cloro o el ozono hasta convertirlo en dixido de carbono y nitrgeno.

Se designan con el nombre de residuos radiactivos aquellos materiales que contienen radioistopos en proporcin superior a la admitida por la legislacin correspondiente.

La mayor parte provienen de las centrales nucleares, aunque tambin se originan en los centros de investigacin y en algunos aparatos clnicos.

GESTIN DE RESIDUOS NUCLEARES

Los residuos lquidos de alta actividad, mediante procesos adecuados, se reducen a slidos. La vitrificacin, o sea, la incorporacin de los desechos al cristal es el mejor mtodo de solidificacin, ya que conserva sus propiedades a altas temperaturas, es resistente a los daos producidos por la radiacin, y tarda miles de aos en disolverse. As pues, residuos slidos y residuos lquidos vitrificados se almacenan de forma controlada en el interior de la tierra.

Pueden ser slidos, lquidos o gaseosos. Los residuos gaseosos procedentes de las centrales nucleares, una vez tratados para eliminar parte de su radiactividad y las partculas slidas que los acompaan, se envan directamente a la atmsfera.

Los residuos slidos de baja y media radiactividad ropa, herramientas, desechos procedentes de residuos lquidos y gaseosos,entre otros, se mezclan con hormign y se introducen en bidones, que se almacenan primero en la propia central y, luego, se transportan hasta su emplazamiento definitivo.

Los residuos slidos de alta radiactividad (combustible gastado) se almacenan primero en la propia central, en piscinas de hormign llenas de agua, y despus se conducen a fbricas de reprocesamiento en las que se recupera el material combustible no consumido y el resto se transporta a unas zonas determinadas, geolgicamente estables y carentes de corrientes subterrneas de agua (cementerios radiactivos), donde se entierran dentro de recipientes resistentes a la corrosin.

Los problemas que se plantean ante el desmantelamiento definitivo de una central nuclear, y que significan un coste cuantioso, tanto en lo que respecta a las operaciones tcnicas como a los dispositivos de seguridad que es necesario emplear.

FUNCIONAMIENTO DE UNA PLANTA NUCLEAR (cuadro 1.0) Las centrales nucleares constan principalmente de cuatro partes:

El reactor nuclear, donde se produce la reaccin nuclear. El generador de vapor de agua (slo en las centrales de tipo PWR). La turbina, que mueve un generador elctrico para producir electricidad con la

expansin del vapor. El condensador, un intercambiador de calor que enfra el vapor transformndolo

nuevamente en lquido.

(Cuadro 1.0) Se muestra el como es que funciona una central nuclear.

Central nuclear con un reactor de agua a presin. (RAP, PWR en ingls) (cuadro1.1)

1- Edificio de contencin. 2- Torre de refrigeracin. 3- Reactor. 4- Barras de control. 5- Acumulador de presin. 6- Generador de vapor. 7- Combustible nuclear. 8- Turbina. 9- Generador elctrico. 10- Transformador. 11- Condensador. 12- Vapor. 13- Lquido saturado. 14- Aire ambiente. 15- Aire hmedo. 16- Ro. 17- Circuito de refrigeracin. 18- Circuito primario. 19- Circuito secundario. 20- Emisin de aire hmedo (con vapor de agua). 21- Bomba de vapor de agua.

(Cuadro 1.1) partes que conforman una central nuclear.

PLANTAS NUCLEARES EN MEXICO

Laguna Verde I en Punta Limn, Veracruz, Mxico. Inaugurada en 1989. Potencia: 682,5 MWe.

Laguna Verde II en Punta Limn, Veracruz, Mxico. Inaugurada en 1995. Potencia: 682,5 MWe.

Centros Atmicos:

Centro Nuclear Dr. Nabor Carrillo Flores en Ocoyoacac, Estado de Mxico, Mxico. Inaugurado en 1968

CONCLUSION

La qumica es una ciencia encargada del estudio de las estructuras, propiedades, la composicin y la transformacin de la materia, la qumica facilita la vida de nosotros los humanos gracias a sus diversas aplicaciones, un ejemplo de ello sera el transporte que ocupamos diaria mente, ya que tres cuartas partes del material que es utilizado para la fabricacin de automviles son productos qumicos. Es tanta la ocupacin que nosotros los humanos damos a la qumica que la utilizamos para proporcionarnos energa como lo es el caso de la energa nuclear, la cual es una energa que se libera del ncleo de un tomo al mantener unidos a los protones y neutrones. Para que esta energa se produzca se tienen que llevar a cabo diversos procesos donde se tiene que liberar. Se obtiene de dos formas la primera es la fusin nuclear la cual consiste en unir los ncleos de distintos tomos y la segunda forma es la fisin nuclear en la que consiste de partir los ncleos de los tomos.