Lamarsh Introduction To Nuclear Engineering Solutions
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Fundamentos Atómicos y Nucleares
El núcleo atómico es el corazón del átomo. Contiene protones y neutrones. Los protones tienen carga positiva. Los neutrones no tienen carga. Juntos, se llaman nucleones.
El número de protones determina el elemento. Esto es el número atómico, Z. El número de nucleones es el número másico, A. Entonces, A = Z + N, donde N es el número de neutrones.
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Los isótopos son átomos del mismo elemento. Tienen el mismo Z, pero diferente A. Esto significa diferente número de neutrones.
La masa atómica se mide en unidades de masa atómica (uma). Una uma es aproximadamente la masa de un protón o neutrón.
Reacciones Nucleares
Las reacciones nucleares implican cambios en el núcleo. Pueden ser fisión, fusión o decaimiento radiactivo. Siempre se conserva la energía y el momento.
La fisión es la división de un núcleo pesado en dos más ligeros. Generalmente inducida por un neutrón. Libera una gran cantidad de energía. Ejemplo: Fisión del Uranio-235.
La fusión es la combinación de dos núcleos ligeros en uno más pesado. Requiere temperaturas extremadamente altas. Es la fuente de energía del sol. Ejemplo: Fusión del Deuterio y el Tritio.
El decaimiento radiactivo es la emisión de partículas o energía por un núcleo inestable. Puede ser alfa, beta o gamma.
El decaimiento alfa implica la emisión de una partícula alfa. Una partícula alfa es un núcleo de helio (2 protones y 2 neutrones). Reduce A en 4 y Z en 2.
El decaimiento beta implica la emisión de un electrón o positrón. En el decaimiento beta menos, un neutrón se convierte en un protón y un electrón. En el decaimiento beta más, un protón se convierte en un neutrón y un positrón.
El decaimiento gamma implica la emisión de un fotón de alta energía. No cambia A ni Z. Solo reduce la energía del núcleo.
Sección Transversal
La sección transversal es una medida de la probabilidad de una reacción nuclear. Se denota por σ. Se mide en barns (1 barn = 10-24 cm2).
Existen diferentes tipos de secciones transversales. Sección transversal de absorción, sección transversal de dispersión y sección transversal de fisión. Cada una representa la probabilidad de ese tipo de reacción.
La sección transversal depende de la energía de la partícula incidente. Generalmente disminuye con el aumento de la energía. Pero hay resonancias donde la sección transversal es muy alta.
La sección transversal macroscópica, Σ, es la sección transversal por unidad de volumen. Σ = Nσ, donde N es la densidad atómica.
Reactor Nuclear
Un reactor nuclear es un sistema que mantiene una reacción nuclear en cadena controlada. Utiliza combustible nuclear, moderador, refrigerante y barras de control.
El combustible nuclear generalmente es Uranio-235 o Plutonio-239. El moderador reduce la velocidad de los neutrones. El refrigerante extrae el calor generado por la fisión. Las barras de control absorben neutrones para controlar la reacción.
El factor de multiplicación, k, es la relación entre el número de neutrones en una generación y el número de neutrones en la generación anterior. Si k = 1, el reactor es crítico. Si k > 1, el reactor es supercrítico. Si k < 1, el reactor es subcrítico.
El objetivo es mantener k ≈ 1. Esto se logra ajustando las barras de control.
Protección Radiológica
La radiación puede ser dañina para la salud. Es importante protegerse de la radiación. Esto se logra mediante el uso de blindaje, distancia y tiempo.
El blindaje absorbe la radiación. Los materiales comunes de blindaje son el plomo, el hormigón y el agua.
La intensidad de la radiación disminuye con la distancia. Doblar la distancia reduce la intensidad en un factor de cuatro.
Minimizar el tiempo de exposición a la radiación reduce la dosis recibida.
Resumen
Recuerden los conceptos clave: núcleo atómico, reacciones nucleares (fisión, fusión, decaimiento), sección transversal, reactor nuclear y protección radiológica.
¡Estudien mucho y confíen en sus conocimientos! ¡Pueden lograrlo!