Radiaciones y reacciones nucleares

RADIACIONES Y REACCIONES NUCLEARES INTRODUCCIÓN Los procesos que tiene lugar en un reactor nuclear de fisión, acompañan siempre a estas reacciones la emisión de radiaciones nucleares de diversas clases, a saber, partículas alfa y beta, neutrones y rayos gamma. El término genérico de “radiación”, sirve para designar tanto las partículas materiales como la radiación magnética.

RADIOACTIVIDAD ISÓTOPOS RADIOACTIVOS La gran mayoría de los elementos químicos se presentan en la naturaleza en forma estable, pero unos cuantos elementos de masa atómica elevada, del Polonio (número atómico 84) en adelante, entre ellos, el Radio (88), el Torio (90) y el Uranio (92), están constituidos exclusivamente por isótopos inestables radioactivos. Entre ambos grupos, los elementos el Talio (81), el Plomo (82), y el Bismuto (83), están constituidos principalmente por isótopos estables, pero contienen también cierta proporción de especies radioactivas. Las especies isotópicas inestables experimentan una transformación espontánea, que se conoce como desintegración radioactiva, proceso que tiene lugar con velocidad bien definida. Esta desintegración consiste en la emisión por parte del núcleo atómico de una partícula cargada, que puede ser una partícula alfa, es decir un núcleo de Helio, o una partícula beta, esto es un electrón. En muchos casos también se produce la emisión de radiación gamma.

Además de estos elementos radioactivos, se han producido isótopos “artificiales”. Todos ellos han sido obtenidos por el bombardeo de elementos estables con partículas cargadas, aceleradas artificialmente en un ciclotrón, por captura de neutrones, o como consecuencia de la fisión nuclear. Unos cuantos radioisótopos emiten partículas alfa, pero la gran mayoría, en casi todos los productos de fisión, emiten partículas beta negativas. Cierto número de especies radioactivas artificiales emiten partículas beta positivas, es decir electrones positivos o positrones.

VELOCIDAD DE DESINTEGRACIÓN RADIOACTIVA En una especie radioactiva determinada, cada núcleo tiene una probabilidad definida de desintegrarse en tiempo determinado, que tiene un valor constante característico de cada isótopo. Este valor permanece invariable, sea cual fuere el estado físico del elemento, a cualquier temperatura o presión. En una muestra concreta, la velocidad de desintegración, es siempre directamente proporcional al número de átomos radioactivos presentes. d N/d t = - λ N siendo ƛ una constante, llamada constante de desintegración de la especie radioactiva, y que constituye una medida de la probabilidad de desintegración. Integrando entre los límites 0 y t, se obtiene N = N0 e- λ t Como se ve, la desintegración radioactiva es un proceso exponencial, en el que la velocidad de desintegración viene determinada por la constante λ y por el número de núcleos radioactivos presentes.

El valor recíproco de la constante de desintegración recibe el nombre de vida media de la especie radioactiva, y se representa por tm tm = 1/ λ

La forma más usual de representar la velocidad de desintegración es mediante el llamado periodo de desintegración.

Se define como el tiempo necesario para que el número de núcleos radioactivos de una especie considerada, se reduzca a la mitad de su valor inicial. Debido al carácter exponencial del proceso de desintegración, este intervalo de tiempo es independiente de la cantidad de radioisótopo presente. Haciendo N = ½ N0, el correspondiente intervalo de tiempo, t1/2 que es el período, vendrá dado por e-ƛt1/2 = ½ O bien tm = t1/2 = ln2/λ = 0,6931/λ Lo que resulta que el período es inversamente proporcional a la constante radioactiva o directamente proporcional a la vida media t1/2 = 0,6931 tm

Como el número de núcleos radioactivos decae a la mitad de su valor inicial al cabo de un período, este número se reducirá a la cuarta parte al cabo de dos períodos, y así sucesivamente, al cabo de siete períodos la cantidad de material radioactivo se reduce al 1% de su valor inicial.

La figura, nos muestra, los períodos de sustancias radioactivas de interés en la energía nuclear.

Figuran en la parte izquierda los períodos de las especies que existen en la naturaleza, mientras que a la derecha están los correspondientes a las sustancias artificiales.

El Torio (233) se forma a partir del Torio (232) por captura neutrónica, y decae luego a protactinio (233), que se transforma en Uranio (233).

El Uranio (239) se forma por la captura de un neutrón, transformándose en sucesivos productos de desintegración en Neptunio (239) y Plutonio (239).

Las tres especies físiles, Uranio (233), Uranio (235) y Plutonio (239) al igual que el Torio (232 y el Uranio (238), son emisores de partículas alfa y poseen períodos de desintegración largos, por consiguiente, isótopos relativamente

estables. En cambio, las sustancias producidas cuando capturan neutrones, como el Torio (233) y el Uranio (239) son emisores de partículas beta, tienen períodos relativamente cortos, lo que significa que pueden conservarse, sin perdidas apreciables, durante muchos años.

EQUILIBRIO RADIOACTIVO En una serie de desintegraciones por etapas, cada miembro radioactivo de la serie se desintegra de acuerdo con la ecuación d N/d t = - λ N con un valor propio y característico de la constante de desintegración λ. Dicha serie se representa A λA→ B λB → C λC→ D λD → … → X Siendo A el progenitor de una serie radioactiva y X el producto final.

Si el progenitor posee un periodo apreciablemente más largo que el siguiente, se describe la condición de equilibrio transitorio en las cuales las cantidades absolutas varían con el tiempo, pero su relación se mantiene constante.

En el caso de que el núcleo progenitor tenga un período muy largo, se describe la condición de equilibrio secular, en el cual no solo es constante la relación, sino también la cantidad absoluta.

En un reactor nuclear, el progenitor se forma siempre por fisión o por captura neutrónica, alcanzando una condición de equilibrio similar, siempre que la potencia del reactor se mantenga constante.

UNIDADES DE RADIOACTIVIDAD: CURIE El Curie, unidad que es la actividad estimada de 1 gramo de radio, se define como la cantidad de cualquier especie radioactiva que se desintegra con la velocidad de 3,70 x 1029 desintegraciones por segundo. Siendo la velocidad de desintegración λ N y λ = 0,693/t1/2 La velocidad de desintegración = (0,693) N/ t1/2 por segundo La masa de un Curie de un isótopo que decae lentamente, es decir con un período largo, será mayor que la que decae rápidamente.

RAYOS GAMMA En gran número de reacciones nuclear, entre las que se incluyen muchos procesos de desintegración radioactiva, se produce un núcleo en estado excitado, con energía interna superior a la que posee en estado fundamental. En un breve intervalo de tiempo, el exceso de energía se emite en forma de rayos gamma. La energía de los rayos gamma, y la de cualquier radiación electromagnética, se emite en forma de fotones los cuales pueden considerarse como “partículas” unitarias de la radiación considerada. La energía del fotón es igual a la diferencia de energías entre los dos estados que intervienen en la transición.

La relación existente entre la energía del fotón E, y la longitud de onda de la radiación λ es E = h ʋ = h c/λ Siendo h una constante (6,62x 10-27 ergios/s) y ʋ(cm-1) la frecuencia de la radiación λ (cm) es la longitud de onda y c la velocidad de la luz (3,00x 1010 cm/s). Con los valores indicados la energía queda expresada en ergios

Se acostumbra a describir la radiación gamma en función de la energía de sus fotones.

La expresión “rayos gamma de 1Mev”, se refiere a los fotones de energía de 1MeV. Las energías de excitación nuclear están comprendidas, en el intervalo de 0,1 a 10MeV, por lo que los rayos gamma poseerán energías comprendidas entre los mismos ordenes de magnitud. Las longitudes de onda correspondientes quedan en la región de 10-9 a 10-11 cm, es decir de 0,1 a 0,001 Å.

Cuando la transición desde un estado excitado, al estado fundamental tienen lugar directamente, el fotón se lleva toda la energía de excitación. La probabilidad de que se produzca una transición desde un estado excitado al fundamental es muy pequeña; se dice que es una transición “prohibida”. En tales casos intervienen en la transición una o más etapas intermedias, lo que conduce a la emisión de una sucesión de rayos gamma de energía más baja.

La energía total de los rayos gamma debe ser la misma e igual a la diferencia entre los niveles energéticos inicial y final, independiente de que la transición se produzca en una o varias etapas E2 = E1 + E3.

En general la transición desde un estado a otro de energía inferior, acompañada de la emisión de rayos gamma, tiene lugar en una fracción pequeñísima de segundo, si bien las llamadas transiciones “prohibidas” tardan mucho más.

En núcleos de número másico pequeño, el primer estado excitado se encuentra como mínimo 1MeV por encima del estado fundamental; la separación entre niveles de baja excitación es del mismo orden de magnitud, pero va decreciendo al ir aumentando la energía, los niveles se van acercando cada vez más. Los núcleos de número másico mayor, la energía mínima de excitación es inferior a 1MeV, mientras que los núcleos más pesados el primer estado excitado puede distar solamente 0,1MeV del estado fundamental. Siendo los elementos con núcleos mágicos constituyen una excepción, como el Bismuto (209) que contiene 126 neutrones en su núcleo, se comporta a este respecto como un elemento ligero, con separación de niveles del orden de 1MeV en la zona de baja excitación.

RADIACIÓN DE ENFRENAMIENTO (BREMSSTRAHLUNG) El hecho de que los rayos X, poseen ordinariamente energías más bajas, es decir, longitudes de onda algo mayores, la diferencia esencial con los rayos gamma, es que estos últimos se producen fuera del núcleo atómico. Los rayos X, se producen por transiciones entre los niveles electrónicos del átomo. La radiación X continua denominada bremsstrahlung (radiación de enfrenamiento), se produce cuando los electrones (partículas beta) de gran velocidad pierden energía al atravesar la materia. La fracción de energía cinética del electrón que se convierte en radiación bremsstrahlung, es tanto mayor cuanto más alta es la energía del electrón y cuanto más elevado es el número atómico del elemento que interacciona. La energía de los rayos X resultantes cubre un amplio intervalo; el máximo del espectro se encuentra muy próximo a la energía máxima de los electrones (partículas beta), pero la energía media es mucho menor.

INTERACCIÓN DE LAS PARTÍCULAS ALFA Y BETA CON LA MATERIA RADIACIONES IONIZANTES Al atravesar la materia cabe la posibilidad de que una partícula cargada, tal como una partícula alfa o beta se acerque tanto a un átomo, que la interacción eléctrica sea suficiente para arrancar un electrón orbital externo del átomo. Lo que queda del átomo, tras la pérdida del electrón, es un ion de carga positiva, y el sistema así constituido por un electrón libre y un ion positivo que recibe el nombre de par iónico. Las partículas eléctricamente cargadas son capaces de provocar ionización, en virtud de la cual, en su recorrido a través de la materia, van dejando tras ellas una estela de pares iónicos. Lo que se le da el nombre de radiaciones ionizantes a las partículas alfa y beta.

La magnitud con que se expresa la intensidad de la ionización producida por una partícula cargada, en movimiento, recibe el nombre de ionización específica; se define, como el número de pares iónicos que se forman en un material determinado por cm de trayectoria. Para partículas de la misma masa, la ionización específica aumenta con la carga.

Para partículas de la misma energía, las de mayor masa producen mayor ionización específica. Como las partículas más pesadas (de energía determinada) se desplazan con mayor lentitud, se mantienen durante más tiempo en las proximidades de los átomos del material que atraviesan, aumentando así la posibilidad de ionización.

La ionización específica debida a una partícula alfa (masa de 4uma) es, pues considerablemente superior a la producida por una partícula beta (masa 0,00055uma) de la misma energía. Cuando atraviesan el aire a la presión atmosférica, las partículas alfa producen aproximadamente de 50.000 a100.000 pares iónicos por cm, mientras que las partículas beta de energía similar forman solamente de 30 a 300 pares iónicos por cm de trayectoria.

La energía necesaria para producir un par iónico varía de un medio a otro. Por consiguiente, la ionización específica producida por una partícula cargada depende de la naturaleza del medio que atraviesa, así como de la carga, la energía y de la masa de la partícula. En su paso a través del aire, la pérdida de energía que experimenta una partícula cargada es, por término medio, de unos 34ev por cada par iónico producido. Esta energía varia un poco de unas partículas a otras, pero la cifra citada puede aceptarse en la mayoría de las aplicaciones prácticas. Una partícula alfa cuya energía inicial sea de 5Mev será capaz de formar en el aire unos 1,5 x 105 parees iónicos. Como la ionización específica es del orden de 5 x 104 pares iónicos por cm, resulta que se producirá ionización a lo largo de un recorrido aproximado de 3 cm. El alcance efectivo de una partícula beta de la misma energía es, aproximadamente, mil veces mayor.

Como no posee carga eléctrica, los rayos gamma y los rayos X apenas producen ionización directa. Sin embargo, cuando estos rayos atraviesan la materia provocan la expulsión de electrones los cuales, por tratarse de partículas cargadas, son capaces de producir ionización en grado considerable. Los rayos gamma y los rayos X provocan ionización, principalmente, por vía indirecta; pueden producir, además, excitación electrónica, directamente o indirectamente. Los neutrones, también, se comportan de modo similar, aunque el mecanismo de la interacción, es diferente.

La mayoría de los iones positivos y electrones libres que se forman directamente o indirectamente, cuando las radiaciones nucleares atraviesan la materia, vuelven a reunirse más pronto o más tarde para constituir átomos neutros. Este proceso es exotérmico, liberándose energía en forma de calor. Lo que se deduce que fundamentalmente, toda la energía de las radiaciones nucleares se degrada en calor.

ABSORCIÓN DE PARTÍCULAS ALFA Midiendo la ionización específica producida en el aire por partículas alfa de una fuente determinada, a diversas distancias de la fuente, se obtiene una curva de forma característica, denominada curva de Bragg. En la curva de Bragg, se observa que la ionización específica aumenta con la distancia a la fuente, lentamente al principio y luego rápidamente y tras pasar por un máximo, cae bruscamente a cero. Se explican los valores crecientes de la ionización específica teniendo en cuenta que la partícula alfa, al ir recorriendo su trayectoria y produciendo pares iónicos, va perdiendo energía y por lo tanto velocidad, de modo constante. Al reducirse la velocidad, aumenta la ionización específica, al aumentar la distancia a la fuente. Hacia el final de su trayectoria, se mueve con relativa lentitud, y es entonces cuando la ionización específica alcanza su valor máximo.

Pasado cierto punto, la energía de la partícula alfa ha quedado tan reducida, que captura primero uno y luego otro electrón, convirtiéndose, así en un átomo de helio, incapaz de producir ionización, lo que explica el descenso brusco de la ionización específica. El hecho de que esta disminución sea bastante brusca y no gradual, implica que todas las partículas alfa de una fuente determinada poseen, prácticamente, la misma energía. La distancia extrapolada, representa por R, a la cual las partículas alfa de una fuente determinada cesan de producir ionización, recibe el nombre de alcance de las partículas en el medio considerado.

El alcance de las partículas alfa, en el aire o en otro material, depende de la naturaleza de la fuente, puesto que de ella depende la energía de las partículas; considerando solamente partículas alfa de origen radioactivo, los alcances varían desde 2,5 cm para el Torio (232) hasta 8.6 cm para fuente de Torio C’. Existe proporcionalidad inversa entre el período de un radioisótopo y la energía, y por lo tanto el alcance. De las partículas alfa que emite. Cuanto más corto es el período, mayor es el alcance de las partículas alfa. El Uranio (235) produce dos grupos de partículas alfa, con energías y alcances ligeramente distintos.

En materiales absorbentes más densos que el aire, la ionización específica es generalmente mayor, a causa de la mayor concentración de átomos; por consiguiente, el alcance de las partículas alfa de determinada energía es menor en estos absorbentes que en el aire. Se define el poder de frenado relativo de un absorbente mediante la relación Poder de frenado relativo = Alcance de la partícula alfa en el aire/ Alcance de la partícula en el absorbente El poder de frenado del agua es de alrededor de 1000, el del aluminio 1600 y el del plomo de más de 5000.

El papel y los tejidos animales su poder de frenado es alrededor de 1000. Una partícula alfa que tenga un alcance de 5 cm (valor relativamente alto), tendría en el papel un alcance de 0,005 cm, es decir una hoja de papel de espesor de 0,1 mm detendría prácticamente todas las partículas alfa de origen radioactivo.

Otra magnitud que se emplea para representar el efecto absorbente de un material, es la densidad espesor. Se define como el producto del alcance lineal de las partículas en el medio considerado, por la densidad de dicho medio; siendo R el alcance de las partículas y ρ la densidad del absorbente Densidad espesor = R x ρ g/cm2 = 1000R x ρ mg/cm2 Según el valor se exprese en g/cm2 o en mg/cm2. Estas últimas dimensiones son las que se usan de ordinario, porque se manejan números de magnitud razonable. La densidad espesor tiene un significado físico definido como la masa de absorbente por unidad de superficie, necesaria para detener o absorber las partículas alfa consideradas.

ABSORCIÓN DE PARTÍCULAS BETA En su paso a través de la materia, las partículas beta comparten con partículas alfa ciertas características comunes, por ejemplo, la producción de pares iónicos en el aire a razón de unos 34ev por par, pero existen algunas diferencias importantes. En primer lugar, la menor masa de la partícula beta significa, que la ionización específica es inferior a la producida por una partícula alfa de la misma energía. Por otra parte, las partículas alfa procedentes de una misma fuente, poseen todas, la misma energía o bien se distribuyen en dos o tres grupos energéticos perfectamente definidos. En cambio, las partículas beta presentan una distribución continua de energías, un espectro energético continuo, hasta un valor máximo preciso, característico de cada fuente de partículas. A partir de masa isotópicas de los núclidos progenitor e hijo, se duce que este máximo es igual a la energía total de la transformación radioactiva. Muy pocas partículas beta poseen esta energía máxima, debido a que, en una transición determinada, la energía disponible se reparte entre la partícula beta y el neutrino que le acompaña. Por termino medio, las partículas beta se reparten un tercio del total y los neutrinos los dos tercios restantes.

Como su masa es relativamente grande, las partículas alfa no experimentan, en conjunto, cambios notables de dirección en su paso a través de la materia. La mayor parte de ellas recorren trayectorias rectilíneas, lo que hace que el alcance quede bastante definido, para una energía determinada. En cambio, las partículas beta están sometidas a un efecto de dispersión considerable, lo que ocasiona cambios frecuentes de dirección como consecuencia de las interacciones electrostáticas que realizan con núcleos atómicos y electrones. Por lo tanto, tras haber atravesado el mismo espesor de un determinado absorbente, las partículas beta pueden tener a la salida direcciones muy distintas, lo cual significa que han recorrido, en realidad, trayectorias de diferente longitud.

La combinación de ambos efectos, espectro energético continuo y dispersión, hace que las partículas beta no muestren un alcance bien definido, como el que poseen las partículas alfa de una misma fuente. Sin embargo, por una combinación fortuita de circunstancias, se ha encontrado experimentalmente que la ionización producida por la radiación beta de una fuente determinada se atenúa, en función de la distancia en forma aproximadamente exponencial. En la figura se muestra la forma general de la representación del logaritmo de la ionización producida, en función del espesor del absorbente; salvo para espesores pequeños o grandes, la curva es aproximadamente lineal.

Para espesores grandes de absorbente, la curva se hace casi paralela al eje de abscisas, lo cual significa una ionización más o menos constante. Esta “cola” de la curva se debe a la presencia de bremsstrahlung muy penetrante, como resultado de la pérdida energética que experimenta las partículas beta de gran velocidad, cuando atraviesan el medio absorbente.

La perdida de energía, por radiación de bremsstrahlung , que experimentan las partículas beta o electrones por centímetro de trayectoria, es aproximadamente proporcional al cuadrado del número atómico del absorbente y a la energía de las partículas. La asociación de bremsstrahlung con el paso de partículas beta a través de la materia se acentúa en los elementos de número atómico elevado. La radiación cubre un amplio intervalo energético, hasta un valor máximo igual a la energía inicial (máxima) de las partículas beta. Si la fuente de partículas beta emite también rayos gamma, éstos contribuirán asimismo a la “cola” de la figura. Luego de atravesar un espesor considerable de material, tanto la radiación gamma como la radiación de bremsstrahlung son absorbidas.

Las partículas beta no poseen un alcance preciso, en el mismo sentido que lo tienen las partículas alfa. Es posible fijar un espesor de absorbente, más o menos definido, capaz de reducir casi a cero la ionización producida por partículas beta de una energía determinada, exceptuada la contribución del bremsstrahlung. En la tabla figuran los alcances aproximados en el aire de partículas beta de diferentes energías máximas, en partículas beta procedentes de productos de fisión, es del orden de 1,2MeV ; el máximo absoluto no excede, probablemente, de 3MeV, siendo apreciablemente inferior en la mayoría de los casos.

Al igual que en el caso de las partículas alfa, el alcance aproximado de las partículas beta en un material absorbente se expresa, en función de su densidad superficial, definida por la ecuación Densidad espesor = R x ρ g/cm2 = 1000R x ρ mg/cm2 Se han determinado experimentalmente los valores correspondientes al aluminio, para partículas beta procedentes de diversas fuentes, y los resultados se distribuyen se en la curva de la figura, donde se toman como coordenadas los espesores del aluminio, en gramos por cm2 , necesarios para absorber partículas beta cuyas energías máximas se llevan en las abscisas.

En el intervalo de 0,8 a 3MeV, existe una relación lineal entre el espesor del aluminio (R x ρ) y la energía máxima de las partículas beta (Em), que puede representarse por la ecuación R x ρ (g/cm2) = 0,54 Em (MeV) – 0,15 Puede admitirse que el espesor de absorción es, en primera aproximación, independiente de la naturaleza del material absorbente; esta aproximación se basa en la hipótesis de que el alcance lineal de las partículas beta, en cualquier medio, es inversamente proporcional a la densidad de éste. Los valores de R x ρ calculados mediante la ecuación, serían idénticos para todos los absorbentes.

Para calcular el alcance lineal (aproximado) en cualquier material, solamente se necesita conocer su densidad.

En su interacción con la materia, las partículas positivas (positrones) se comportan igual que las negativas. En un intervalo de tiempo pequeñísimo, el positrón tiende a combinarse con un electrón, de los muchos que existe en la materia como los electrones orbitales de los átomos. El electrón positivo y el negativo se neutralizan mutuamente; las dos partículas quedan aniquiladas y se libera energía en forma de radiación, que se conoce con el nombre de radiación de aniquilación. La masa total de ambos electrones es de 0, 00110uma, equivalente a 1,02MeV. Para que se satisfaga el principio de conservación de la cantidad de movimiento, esta energía ha de repartirse por igual entre los dos fotones que se desplazan en direcciones opuestas. Como consecuencia, la energía de la radiación de aniquilación, cuyas propiedades son análogas a las de la radiación gamma, es de 0,51MeV, aunque puede haber una pequeña cantidad de fotones de 1,02MeV.

RADIACIÓN DE CERENKOV Cuando atraviesan un medio transparente, las partículas cargadas de alta energía son capaces de emitir radiación visible (electromagnética), siempre que su velocidad sea superior a la velocidad de la luz en dicho medio. Esta radiación se denomina radiación de Cerenkov . El resplandor azulado que se observa en torno del núcleo de un reactor, moderado y refrigerado por agua, se debe a la radiación de Cerenkov producida por las partículas beta de muy alta energía, emitidas por los productos de fisión.