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La generación de energía nuclear está asociada con la reacción de la cadena de fisión, pero la física subyacente de la desintegración radiactiva —en particular la desintegración alfa— juega un papel igualmente crítico en todo el ciclo del combustible. Desde la composición natural del combustible del reactor hasta la gestión a largo plazo del combustible nuclear gastado, el desperdicio alfa gobierna, la estabilidad, la eliminación y la producción de calor de muchos reactores
¿Qué es Alpha Decay?
La desintegración alfa es un tipo de desintegración radiactiva en la que un núcleo atómico inestable expulsa una partícula alfa—un grupo de dos protones y dos neutrones, idéntico a un núcleo helio-4. Durante este proceso, el núcleo padre pierde dos protones y dos neutrones, reduciendo un ejemplo de transformación.
La partícula alfa se emite con una energía cinética característica que oscila entre 4 y 9 megaelectronvolts (MeV), dependiendo del núcleo padre. Esta energía se deriva de la diferencia en la energía vinculante entre el núcleo padre e hija, conocida como el valor Q de la desintegración. Debido a que la partícula alfa es relativamente masiva y tiene un cargo eléctrico +2, tiene un
La desintegración alfa ocurre predominantemente en núcleos pesados con números atómicos mayores a 82 (pis). La fuerte repulsión electrostática entre protones en tan grandes núcleos los hace propensos a liberar una partícula alfa, que reduce la energía total del Coulomb.El proceso puede describirse mecánicamente como un evento de túnel: la partículas alfa se preforma dentro de los mil millones de tunels y mil millones de años de tunel.
[LT] [LT] [FLT] [24] [FLT] [2] [FLT] [2]] [FLT] [2]] [FLT] [2]] [FLT] [2]] [FLT] [2]] [FLT] [2]]
Comprender qué isótopos se desintegran por la emisión de alfa y qué cadenas desintegrantes pertenecen es fundamental para predecir el comportamiento del combustible nuclear y los desechos sobre los plazos geológicos.
Declinación alfa en ciclos de combustible nuclear
En los reactores de agua ligera (LWR) y otras centrales de energía basadas en fisión, la principal fuente de energía es la fisión inducida por neutrones de uranium-235 o ]plutonium-239.
En el núcleo del reactor, la captura de neutrones por uranio-238 crea plutonio-239, un importante isótopo fisible. Plutonium-239 se desintegra por emisión de alfa con una vida media de 24.100 años. Esto significa que el combustible nuclear gastado contiene una mezcla de emisores de alfa como plutonio-239, plutonio-240, americium-241, y curium-244.
La cadena de uranio-238
La cadena de desintegración de uranio-238 es una de las series radiactivas más estudiadas en la naturaleza. Consiste en 14 desintegraciones sucesivas, de las cuales 8 son descomposición alfa y 6 son descomposición beta, culminando en un plomo estable-206. La cadena se divide a menudo en dos segmentos: de uranio-238 a radio-226, y de radio-226 a plomo-206.
- Uranium-238 (la mitad de la vida 4.47×109 años) emite una partícula alfa para formar Thorium-234.
- Thorium-234 (24.1 días) sufre de desintegración beta a Protactinium-234m] (Estado anímico).
- Protactinium-234m (1.17 minutos) decae beta a Uranium-234.
- Uranium-234] (2.46×105 años) alpha decays to Thorium-230.
- Thorium-230] (75.380 años) decaimientos alfa a Radium-226.
- Radium-226 (1.600 años) decae alfa a Radon-222.
- Radon-222] (3,82 días) decaimientos alfa a Polonium-218.
- Polonium-218 (3.1 minutos) desintegración alfa a Lead-214] (con una pequeña rama de la desintegración beta).
- Lead-214 (26.8 minutos) beta decays to Bismuth-214.
- Bismuth-214 (19.9 minutos) desintegraciones beta a Polonium-214.
- Polonio-214 (164 microsegundos) decaimientos alfa a Lead-210.
- Lead-210 (22.3 años) beta decays to Bismuth-210.
- Bismuth-210 (5.01 días) beta decays a Polonium-210.
- Polonio-210] (138.4 días) decaimientos alfa a Lead-206 (estable).
Las características notables de esta cadena incluyen la producción de radon-222, un gas noble que puede escapar de rocas y suelos, acumulando en edificios y planteando un riesgo de cáncer de pulmón a través de la emisión de partículas alfa cuando se inhala. En el contexto de la energía nuclear, la cadena de desintegración es críticamente importante para el almacenamiento de combustible gastado porque varias hijas tienen media vida de cientos a miles de años, contribuyendo a la persistente radioactividad.
La cadena de esputo-232 decrédito
Thorium-232, el isótopo más abundante de torio, también se somete a la decaimiento alfa como cabeza de su propia cadena de decaimiento de uranio, terminando en plomo estable-208. Esta cadena incluye 10 decaimientos (6 alfa, 4 beta) y características notables isótopos como el radio-228 (5.75 años), el thorium-228 (1.91 años) y el radio-224 (3.63 días de thonio.
Consecuencias para la generación de energía nuclear
Gestión de desechos radiactivos
El combustible nuclear gastado de los reactores de agua ligera de hoy contiene una amplia gama de isótopos alfa, principalmente elementos transurantes como plutonio, americium y curium. Estos isótopos tienen medio vida que van desde décadas a decenas de miles de años, planteando un peligro a largo plazo.
Los repositorios geológicos, como el repositorio propuesto en la Montaña Yucca en los Estados Unidos o la instalación más avanzada en Onkalo en Finlandia, están diseñados para aislar el combustible gastado y los desechos de alto nivel de la biosfera. El calor de decaimiento de las emisiones alfa debe ser cuidadosamente contabilizado en el diseño de los recipientes de desecho y la roca circundante.
Además de los transuranics, los productos de fisión de larga vida tecnetium-99 y ]iodine-129 no se desintegran por emisión de alfa, sino que siguen siendo relevantes para la gestión de residuos. Sin embargo, los emisores de alfa son el principal factor del peligro a largo plazo.
Protección contra las radiaciones y seguridad
La radiación alfa plantea un desafío único en la protección contra la radiación. Mientras que las partículas alfa se detienen fácilmente por la capa externa de la piel muerta o una hoja de papel, son extremadamente peligrosas si una sustancia alfa emitente se ingiere, inhala o se incorpora en el cuerpo.El alto daño de la energía lineal (LET) significa que las partículas alfas pueden causar un riesgo elevado
En las centrales nucleares, los trabajadores deben estar protegidos de polvo y aerosoles alfa, especialmente durante la fabricación de combustible, reprocesamiento y manejo de residuos. Los programas de monitoreo incluyen muestreo de aire, encuestas de contaminación superficial y conteo de cuerpos enteros (para emisores de gamma). Sistemas de contención, como cajas de guante y filtros de partículas de alta eficiencia, se emplean para evitar la propagación de materiales de combustible.
Las emisiones ambientales de los emisores de alfa de las instalaciones nucleares están estrictamente reguladas. El Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA) y los organismos nacionales establecen límites de dosis para el público y los trabajadores. Para los nuclidos alfa emitidos, los coeficientes de dosis (millisievert por becquerel ingerido o inhalado) son generalmente mucho más altos que para los emisores beta o gamma.
Calor de alfa Decay en combustible gastado
Después de que cese la fisión, el combustible nuclear gastado continúa generando calor debido a la desintegración de productos de fisión corta y actinides de más largo tiempo. La desintegración alfa contribuye sustancialmente a este calor wadeay después de las primeras décadas. Para el combustible fresco gastado (menos de 10 años), los emisores de beta y gamma 87 tienen cada vez más
El calor decaído de los emisores de alfa debe ser eliminado continuamente para evitar la falla de cierre de combustible y la posible liberación de los radionúclidos. En las piscinas de almacenamiento húmedo, el agua circulante elimina el calor; en las barricas de almacenamiento seco, se utiliza la convección de aire pasiva. Para el diseño de un repositorio geológico profundo, la salida térmica no debe exceder la capacidad de la roca host para disipar el calor diez sin efectos analíticos.
Interesantemente, el mismo calor descompuesto alfa que complica la gestión de desechos se utiliza en generadores termoeléctricos de radioisótopo (RTGs) utilizados por la NASA para misiones de espacio profundo. Los RTGs convierten el calor de la desintegración alfa (típicamente de plutonio-238) en electricidad, proporcionando energía confiable para décadas.
Aplicaciones más allá de la generación de energía
El calor del alfa no es sólo un subproducto de la energía nuclear sino también aplicaciones directas. Americium-241, un emisor de alfa con una media vida de 432 años, es el elemento activo en la mayoría de los detectores de humo del hogar.
En el contexto de la investigación de la energía nuclear, la desintegración alfa también se explota para proyectos de transmutación nuclear. El objetivo de la partición y transmutación (P plagaamp;T) es separar emisores alfa de largo plazo de combustible gastado y luego convertirlos en nuclidos de menor duración o de mayor estabilidad, reduciendo así la radiotoxicidad avanzada del reactor.
Conclusión
El desintegración alfa es un proceso físico fundamental que impregna cada etapa de la generación de energía nuclear, desde la desintegración natural del uranio y el torio en la corteza terrestre, a través de la composición del combustible del reactor, hasta la gestión de desechos de alto nivel. Su deposición de alta energía y sus hijas de larga vida hacen que sea un reto para la seguridad de la radiación y una consideración clave en el diseño del repositorio.