Resumen Tema 2. 2ª Parte - IES Alfonso X el Sabio

CIDEAD.- 1º Bachillerato . TIN 1 .-Resumen Tema 2. 2 : Energía Nuclear
1. La energía nuclear.
Existen dos maneras de obtener energía a partir de los núcleos de los átomos, como
consecuencia de la transformación de la materia en energía. Una de ellas es gracias a las reacciones
de fisión nuclear, mediante las cuales, un núcleo pesado, se desintegra , dando lugar a dos más
pequeños, eliminando gran cantidad de energía y radiactividad. Otra de las formas es mediante el
fenómeno de fusión nuclear, mediante la cual, dos núcleos ligeros, se fusionan para dar lugar a un
núcleo más pesado, con la liberación de cierta cantidad de energía. En el primer caso, la tecnología
se ha desarrollado de una forma considerable; en el segundo caso, la tecnología aún no se ha
desarrollado lo suficiente.
1.1 La radiactividad natural y al transmutación de la materia.
La radiactividad natural es la propiedad que tienen determinados núcleos pesados de emitir
de una forma espontánea radiaciones como consecuencia de su reordenamiento nuclear. Las
radiaciones pueden ser de tres tipos:
Radiaciones α o núcleos de Helio. Son poco penetrantes, siendo absorbidas por una simple
hoja de papel. Es difícil que penetre en el cuerpo humano.
Radiación β o electrones dotados de alta velocidad. Es más penetrante que en el caso
anterior. Se requiere una lámina metálica de algunos mm. de espesor.
Radiación γ . Esta radiación no tiene naturaleza material, sino electromagnética de muy
alta frecuencia. Es capaz de recorrer centenares de metros en el aire. Para detenerla se
necesita una lámina gruesa de plomo o de hormigón
En los fenómenos de la radiactividad natural, los núcleos de una serie de átomos , se
transmutan o transforman en otros átomos diferentes de una forma natural, emitiendo en el proceso
distinto tipo de radiaciones. En el año 1919, Ernest Rutherford, consiguió bombardear núcleos de
Nitrógeno con partículas α , dando lugar a núcleo de oxígeno y protones. La reacción nuclear es la
siguiente:
14
17
+ 42He
+ 11H
7 N
8O
En la reacción nuclear, la suma de los números másicos de los reactivos, ha de ser
igual a la suma de los números másicos de los productos. La suma de los números atómicos de los
reactivos, ha de ser igual a la suma de los números atómicos de los productos.
1.2 La radiactividad artificial. Energía nuclear.
En el año 1934, la hija de Madame Curie, bombardearon aluminio con partículas α y
obtuvieron inicialmente un isótopo de fósforo, inestable que se desintegra espontáneamente para dar
lugar a un núcleo de Silicio, eliminando unas nuevas partículas: los electrones positivos o
positrones.
27
13
Al +
30
15
4
2
30
He
P*
15
30
14
P* +
Si +
1
0
n
0
1
e+
Este fenómeno recibe el nombre de radiactividad artificial. En estos procesos además de los
diferentes tipos de radiaciones( α ,β ,γ ) se emiten también protones, neutrones o positrones.
En todas estas reacciones nucleares, la masa de los núcleos reactivos, es mayor que la masa
de los núcleos productos, por consiguiente existe una pérdida de masa. Este defecto de masa se
transforma en energía por la ecuación de Einstein:
Δ E = Δ m . c2
siendo c = 3 . 108 (m/s) , es decir, la velocidad de la luz.
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Esta energía que resulta de los procesos de reacción nuclear, es la energía nuclear, que a
nivel subatómico, las unidades de masa serán los umas(u), siendo una u = 1,6605 10 -27 Kg.. La
energía se mide en MeV ( Mega electrón volt.) . 1 MeV = 1,602 10 -13 J. Según esto, la
desintegración de un uma (1 u) produce 931,2 MeV de energía: 1 u = 931,2 MeV.
2. Reacciones nucleares de interés energético: Reacciones de fisión y fusión nuclear.
Las dos reacciones más importantes desde el punto de vista energético son las de fisión y las
de fusión.
En el año 1938, Otto Hahn, bombardeó núcleos de Uranio, con neutrones lentos ( de baja
energía cinética). La idea inicial era obtener elementos de número atómico superior al Uranio, sin
embrago lo que sucedió fue que el Uranio se rompió en dos núcleos más pequeños, concretamente
el isótopo 235 . En este proceso se liberaba una gran cantidad de energía y se obtenían nuevos
neutrones (tres) para proseguir en una reacción en cadena divergente A este proceso recibió el
nombre de fisión nuclear, liberando por termino medio 200 MeV.
La energía liberada en los procesos de fisión nuclear pueden usarse para:
Fines militares.- Si el proceso de desintegración ocurre de forma incontrolada , a
velocidades explosivas: bomba nuclear.
Fines pacíficos.- Como fuente de energía en los dispositivos conocidos como reactores
nucleares , que se utilizan en las centrales nucleares.
235 U + 1 n→ 89 Kr + 144 Ba+3 1 n
92
0
36
56
0
Es una reacción en cadena.
Las reacciones de fusión nuclear, se llaman también termonucleares, a causa de la elevada
temperatura que se encuentran los núcleos ( en estado de plasma). Este tipo de reacciones tiene
lugar cuando varios núcleos ligeros se funden para dar lugar a otro más pesado, acompañado de una
liberación de energía.
La reacción nuclear es la siguiente :
2
1
H +
3
1
H
4
2
He + energía.
La energía liberada es del orden de los 26 MeV . La realización práctica nos dice que es muy
complicado hacer colisionar dos partículas cargadas. Para ello es necesario someter a los núcleos a
temperaturas elevadas, del orden de 109 º C.
3. Centrales nucleares de fisión
Las centrales nucleares son aquellas instalaciones que permite transformar la energía nuclear
en energía eléctrica.
En una central nuclear las distintas transformaciones energéticas se verifican en las
siguientes etapas:
En el interior del reactor: la energía nuclear se transforma en energía térmica.
En las turbinas, la energía térmica se trasforma en energía mecánica: energía cinéticas de
rotación.
En el generador o alternador, la energía mecánica se trasforma en energía eléctrica.
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En una central PWR, el reactor nuclear es refrigerado por agua a presión. El calor desprendido por
el reactor, refrigera el agua a presión que circula por tuberías en el interior del reactor, este fluido,
caliente, calienta un segundo fluido motor , haciendo que el agua del segundo circuito pase del
estado líquido al estado de vapor. Este vapor es dirigido hacia los álabes de una turbina de vapor,
haciendo que ésta gire rápidamente y produzca en el secundario del alternador, corriente alterna
trifásica de varios miles de voltios.
La sala de control realiza el seguimiento del proceso.
La parte más importante de una central nuclear es el reactor.
En el reactor nuclear, tiene lugar las reacciones en cadena. Los neutrones desprendidos,
poseen una energía elevada (neutrones rápidos) , por lo que es necesario frenarlos mediante un
moderador ( agua pesada, normal, grafito o Berilio), disminuyendo su energía (neutrones térmicos) .
Los neutrones producidos pueden escaparse del material sin producir reacción, pueden ser
absorbidos por núcleos Uranio 238, por impurezas o por núcleos Uranio 235, fisionándose y dando
lugar a nuevos neutrones.
Para que una reacción nuclear tenga lugar es necesario que exista una mínima masa de
material fisionable, que se conoce como masa crítica .
Para que la reacción en cadena se mantenga , será necesario que los neutrones producidos
ha de ser mayor que los absorbidos. Existe una relación entre estos neutrones, que recibe el nombre
de factor de multiplicación, k .
k =
neutrones producidos
neutrones absorbidosneutrones perdidos
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Cuando k = 1 la reacción en cadena es crítica o estacionaria.
Cuando k > 1 será supercrítica, llegando a la explosión.
Cuando k < 1 será subdrítica, decreciendo la actividad con el tiempo.
Existen sustancias absorbentes de neutrones como son el Boro y el Cadmio.
Un reactor nuclear posee un núcleo central que mantiene el material combustible y los elementos
para controlar la reacción: material moderador y las barras de control.
El combustible poseen formas muy variadas recubierto de una vaina metálica que lo aísla
del exterior. Para iniciar la fisión se dispone de una fuente de neutrones. La energía desprendida es
captada por el primer refrigerante, que suele ser agua ordinaria, pesada, gas o metal fundido.
Para evitar fugas radiactivas del reactor, éste se rodea de un blindaje de hormigón de varios
metros de espesor. Suele tener forma cilíndrica con una cúpula semiesférica.
Los reactores más utilizados son :
Los reactores de producción de potencia, son los que existen en las centrales nucleares. De
estos se distinguen, según sea el refrigerante, los GCR (reactor de gas enfriado), LWR
( como refrigerante y moderador agua ligera), pueden ser PWR o BWR, reactores de alta
temperatura o reactores rápidos.
Reactores de investigación. Los utilizados para producir radioisótopos. Permiten estudiar la
utilización de nuevos reactores.
Reactores reproductores.- Transforman material fértil en fisionable.
4. Aspectos medioambientales de la utilización de la energía nuclear.
Las ventajas e inconvenientes de la utilización de la energía nuclear son de carácter técnico
y profesional.
Desde el punto de vista de ventajas figura las enormes posibilidades energéticas del proceso,
que se complementan con el resto de las energías. Por otra parte, las buenas condiciones de
funcionamiento y no precisan el oxígeno atmosférico.
En cuanto las desventajas son los pequeños rendimientos de las centrales nucleares, los
elevados costos y las grandes medidas de seguridad.
Desde el punto de vista medioambiental, los accidentes en centrales nucleares, ocurieron en
los Álamos, en 1945, en marzo de 1979 en Harrisburg (Pensilvania) y, más recientemente, en
Chernóbil, en Ucrania, han concienciado a la opinión pública para que se posicione en contra de la
energía nuclear.
Japón .- Central de Fukushima (Sunami- 2010)
Estos riesgos ha supuesto un aumento en la seguridad de las centrales nuclares.
Otros de los problemas que conlleva la utilización de la energía nuclear es la de los residuos
radiactivos. La mayor parte de los residuos proviene de las centrales nucleares, aunque también los
originan los centros de investigación. Los residuos pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos. Los
materiales gaseosos, una vez tratados para eliminar la radiactividad, se eliminan a la atmósfera.
Las sustancias de media radiactividad, se almacenan en cilindros de plomo y hormigón y se
almacenan. Los residuos de alta radiactividad , primero se almacenan en la propia central y
posteriormente se envían a una fábrica para el reprocesamiento, aprovechándose el material
combustible no consumido.
5. La fusión nuclear. El futuro energético.
Los reactores de fusión nuclear, que generan energía por fusión de núcleos y no por fisión,
será en un futuro próximo, la gran solución a las necesidades energéticas de la humanidad, ya que
generaría una potencia equivalente de 1 GW, gastando una mínima cantidad de combustible.
Las primeras investigaciones sobre la fusión nuclear, se realizaron en la década de los
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sesenta en la antigua URSS. Estos investigadores consiguieron un confinamiento lento en campos
magnéticos toroidales, en los llamados Tokamaks. Todos estos procesos se basan en el
almacenamiento del plasma (núcleos de átomos desprovistos de los electrones corticales) por la
acción de potentes campos magnéticos, comprimiéndolo para conseguir un aumento elevado de
temperatura y conseguir la densidad necesaria para conseguir la fusión nuclear.
Además del procedimiento de Tokamaks, existe una nueva vía de investigación en el método
de confinamiento inercial, en el que el láser desempeña un gran papel. El láser que se necesita
desarrollar es el de alta potencia.
Los esteladores funcionan como los Tokamaks , utilizándose imanes de formas complicadas,
que facilite el confinamiento del plasma ultracaliente.
6. Impacto medioambiental de la utilización de las fuentes de energía no renovables.
La utilización de las fuentes de energía no renovables, supone una alteración del medio
ambiente, contribuyendo en su deterioro.
Entre las alteraciones que conviene destacar son las siguientes:
Efecto invernadero. Los gases invernadero, formados por el metano, dióxido de carbono, los
gases nitrosos y los CFC. De todos ellos el CO2 se produce mayoritariamente por la
combustión completa de los combustibles fósiles. Los procesos de sustitución han
contribuido a la disminución de la eliminación del dióxido de carbono. Los gases
invernadero atrapan moderadamente el calor del sol, dejando pasar la radiación infrarroja, y
esta radiación, una vez atrapada por la corteza terrestre , la radiación se refleja y en lugar de
ser reenviada al espacio, es atrapada por los gases, aumentando la temperatura media de la
tierra, distorsionando el clima.
La capa de ozono. La capa de ozono ( O 3) se encuentra a una altura entre 20 y 50 Km de
altitud. En esta zona se produce concentraciones de 10 ppm; la disminución de la capa de
ozono provoca la llegada a la superficie de la tierra radiaciones energéticas muy peligrosas
para los seres vivos.
La lluvia ácida. Cuando se eliminan a la atmósfera óxidos de nitrógeno y de azufre que
acompañan a los combustibles fósiles, se combinan con el vapor de agua y se forman los
ácidos sulfúrico y nítrico que se depositado en la corteza terrestre juntamente con el agua de
lluvia. Estos ácidos son abrasivos de las plantas, altera el placton y la fauna de los ríos. Así
mismo afecta a la estructura de hormigón y provoca el ennegrecimiento y deterioro de los
edificios. Sobre los sers humanos supone una aumento de las afecciones respiratorias
( asma, bronquitis, etc.).
Otras formas de contaminación indirecta, será la producción de maras negras como
consecuencia de los accidentes de los petroleros o el agua de refrigeración de las centrales
térmicas, que supone un aumento de temperatura del agua de los ríos, alterando gravemente
el ecosistema.