PRODUCCIÓN DE ENERGÍA NUCLEAR Y SUS

Manejo de Residuos Nucleares
CAPITULO
II.-
PRODUCCIÓN
DE
ENERGÍA
NUCLEAR
Y
SUS
APLICACIONES
2.1.- Radioactividad, Energía Nuclear de Fisión y Fusión Nuclear
2.1.1.- Radioactividad
La radioactividad es una energía que emiten ciertos isótopos de
elementos
químicos,
sea
espontáneamente
(radioactividad
natural)
o
provocada por una intervención externa (radioactividad artificial). Esta
radioactividad tiene numerosas aplicaciones, tales como determinar la edad de
planetas, fósiles y minerales, investigación biológica, tratamiento y diagnóstico
de enfermedades, mecanismo de reacciones, esterilización de alimentos y
dispositivos, técnicas de microanálisis y muchísimas otras más.
La radioactividad natural es una propiedad que tienen ciertos isótopos de
de elementos químicos de modificarse espontáneamente emitiendo radiación.
Por su parte, la radioactividad artificial es la descomposición de los átomos por
colisión con otras partículas atómicas. Para producir esta energía artificial es
preciso bombardear intencionalmente el núcleo de un átomo de un
determinado material.
16
Manejo de Residuos Nucleares
El caso más importante, es la fisión nuclear antes descrita, que además
de liberar energía, también se generan isótopos del estroncio, cesio, bario,
xenon, kripton, entre otros; todos ellos también son radioactivos.
La radiación que emiten los materiales radioactivos pueden dañar los
organismos vivos. Todos los seres vivos están expuestos a mayor o menor
radiación procedentes de materiales que la emiten de forma natural.
2.1.2.- Energía Nuclear de Fisión.
Las dos características fundamentales de la fisión nuclear en cuanto a la
producción práctica de energía nuclear resultan evidentes en el ejemplo citado
anteriormente. En primer lugar, la energía liberada por la fisión es muy grande.
La fisión de 1 Kg. De uranio 235 libera 18.7 millones de kw-h en forma de calor.
En segundo lugar, el proceso de fisión iniciado por la absorción de un neutrón
en el uranio 235 (FIG. 2.1) libera entre 2 y 3 neutrones en los núcleos
fisionados. Estos neutrones, en ciertas condiciones provocan rápidamente la
fisión de varios núcleos más, con lo que liberan otros cuatro o más neutrones
adicionales e inician una serie de fisiones nucleares automantenidas, una
reacción en cadena que lleva a la liberación continuada de energía nuclear.
Fig. 2.1.- Fisión de uranio 235.
17
Manejo de Residuos Nucleares
El uranio presente en la naturaleza sólo contiene un 0.71% de uranio
235; el resto corresponde al isótopo no fisionable uranio 238. Una masa de
uranio natural, por muy grande que sea, no puede mantener una reacción en
cadena, porque sólo el uranio 235 es fácil de fisionar. Es muy improbable que
un neutrón producido por fisión, con una energía inicial elevada de
aproximadamente 1 MeV, inicie otra fisión, pero esta probabilidad puede
aumentarse cientos de veces si se frena el neutrón a través de una serie de
colisiones elásticas con núcleos ligeros como hidrógeno, deuterio y carbono.
En ello se basa el diseño de los reactores de fisión empleados para producir
energía.
2.1.3.- Fusión Nuclear.
La liberación de energía nuclear puede producirse en el extremo bajo la
curva de energías de enlace, a través de la fusión de dos núcleos ligeros en
uno más pesado (FIG. 2.2). La energía irradiada por el sol se debe a las
reacciones de fusión de esta clase que se producen en su interior a gran
profundidad.
Fig. 2.2.- Fusión Nuclear
18
Manejo de Residuos Nucleares
A las enormes presiones y temperaturas que existen ahí, los núcleos de
hidrógeno se combinan a través de una serie de reacciones y producen casi
toda la energía liberada por el sol. En estrellas con mayor masa que el sol,
otras reacciones llevan al mismo resultado.
La fusión nuclear artificial se consiguió por primera vez a principios de la
década de 1930, bombardeando un blanco que contenía deuterio (el isótopo de
hidrógeno de masa 2) con deuterones (núcleos de deuterio) de alta energía
mediante un ciclotrón. Para acelerar el haz de deuterones se necesitaba una
gran cantidad de energía, la mayor parte de ésta, aparecería como calor en el
blanco. Eso hacía que no se produjera una energía útil neta.
En las reacciones de fisión mencionadas anteriormente, el neutrón que
no tiene carga eléctrica puede acercarse fácilmente a un núcleo fisionable (por
ejemplo uranio 235) y reaccionar con él. En una reacción de fusión típica, en
cambio, cada uno de los núcleos que reaccionaban tiene una carga eléctrica
positiva, y antes de que puedan unirse hay que superar la repulsión natural que
ejercen entre sí, llamada repulsión de Coulomb.
Los
materiales
ordinarios
no
pueden
contener
un
plasma
lo
suficientemente caliente para que se produzca la fusión. El plasma se enfriaría
muy rápidamente, y las paredes del recipiente se destruirían por las altas
temperaturas. Sin embargo, como el plasma está formado por núcleos y
electrones cargados, que se mueven en espiral alrededor de líneas de campo
19
Manejo de Residuos Nucleares
magnético intensas, el plasma puede contenerse en una zona de campo
magnético de la forma apropiada.
Si la energía de fusión llega a ser practicable, ofrecería las siguientes
ventajas: 1) una fuente ilimitada de combustible, el deuterio procedente de los
océanos; 2) imposibilidad de un accidente en el reactor, ya que la cantidad de
combustible en el sistema es muy pequeña, y 3) la energía de fusión no genera
residuos radioactivos peligrosos.
2.2.- Energía Nucleoeléctrica.
Dependiendo de la ubicación geográfica y el nivel de industrialización, la
energía final se consume de distintas maneras: como electricidad, para el
transporte o como fuente de calor. Entre las distintas fuentes energéticas de
que disponen los países, la energía nucleoeléctrica representa una de las
pocas opciones que permite producir energía en todas sus formas, es decir,
como electricidad, calor industrial en régimen de baja y alta temperatura y
vapor industrial en forma económica y en condiciones ambientalmente
aceptables.
Las preocupaciones respecto de los efectos ambientales del quemado
de combustibles fósiles para la producción de energía han formantazo el
interés por las fuentes de energía poco contaminantes. Por lo tanto el
desarrollo y despliegue de la energía núcleo-eléctrica podría ser para algunas
20
Manejo de Residuos Nucleares
naciones una opción atractiva para contribuir a un suministro energético seguro
y fiable a largo plazo.
2.3.- Reactores Nucleares
2.3.1.- Reactores para Producción de Energía Nucleoeléctrica.
En el mundo, se han construido diferentes tipos de reactores
(caracterizados por el combustible, moderador y refrigerante empleados) para
la producción de energía eléctrica. Por ejemplo, en Estados Unidos, con pocas
excepciones, los reactores para la producción de energía emplean como
combustible nuclear óxido de uranio enriquecido en su isótopo 235, hasta un
3%. Como moderador y refrigerante se emplea agua normal muy purificada.
Un reactor de este tipo se denomina reactor de agua ligera (RAL).
En el reactor de agua a presión (RAP), una versión del sistema RAL, el
refrigerante es agua a una presión de unas 150 atmósferas. El agua se
bombea a través del núcleo del reactor, donde se calienta hasta unos 325
grados centígrados. El agua sobrecalentada se bombea a su vez hasta un
generador de vapor, donde a través de intercambiadores de calor caliente un
circuito secundario de agua, que se convierte en vapor. Este vapor propulsa
uno o más generadores de turbinas que producen energía eléctrica, se
condensa, y es bombardeado de nuevo al generador de vapor. El circuito
secundario está aislado del agua del núcleo del reactor por lo que no es
radioactivo. Para condensar el vapor se emplea un tercer circuito de agua,
21
Manejo de Residuos Nucleares
procedente de un lago, un río o una torre de refrigeración. La vasija presurizada
de un reactor típico tiene unos 15 metros de altura y 5 metros de diámetro, con
paredes de 25 cm de espesor. El núcleo alberga unas 80 toneladas de óxido de
uranio, contenidas en tubos delgados resistentes a la corrosión y agrupados en
un haz de combustible.
En el reactor de agua en ebullición (RAE), otro tipo de RAL, el agua de
refrigeración se mantiene a una presión algo menor, por lo que hierve dentro
del núcleo. El vapor producido en la vasija presurizada del reactor se dirige
directamente al generador de turbinas, se condensa y se bombea de vuelta al
reactor. Aunque el vapor es radioactivo, no existe un intercambiador de calor
entre el reactor y la turbina, con el fin de aumentar la eficiencia. Igual que en el
RAP el agua de refrigeración del condensador procede de una fuente
independiente, como un lago, o un río.
El nivel de potencia de un reactor en funcionamiento se mide
constantemente con una serie de instrumentos térmicos, nucleares y de flujo.
La producción de energía se controla insertando o retirando del núcleo un
grupo de barras de control que absorben neutrones. La posición de estas
barras determina el nivel de potencia en que la reacción en cadena se limita a
automatizarse.
Durante el funcionamiento, e incluso después de su desconexión, un
reactor grande de 1,000 megawatios (MW) contiene una radioactividad de
miles de millones de curios. La radiación emitida por el reactor durante su
funcionamiento y por los productos de la fisión después de la desconexión se
22
Manejo de Residuos Nucleares
absorbe mediante blindajes de concreto reforzado de gran espesor situados
alrededor del reactor y del sistema primario de refrigeración. Otros sistemas de
seguridad son los sistemas de emergencia para refrigeración de este último,
que impiden el sobrecalentamiento del núcleo en caso de que no funcionen los
sistemas de refrigeración principales. En la mayoría de los países también
existe un gran edificio de concentración de acero y concreto reforzado para
impedir la salida al exterior de elementos radioactivos que pudieran escapar en
caso de una fuga.
Fig. 2.3.- Corte transversal de una central nuclear
Aunque al principio de la década de 1980 había 100 centrales nucleares
(FIG. 2.3) en funcionamiento o en construcción en Estados Unidos, tras el
accidente de Three Miles Island, la preocupación por la seguridad y los factores
económicos se combinaron para bloquear el crecimiento de la energía nuclear.
Desde 1979, no se han encargado nuevas centrales nucleares en Estados
Unidos y no se ha permitido el funcionamiento de algunas centrales ya
terminadas. En 1990, alrededor del 20% de la energía eléctrica generada en
23
Manejo de Residuos Nucleares
Estados Unidos procedía de centrales nucleares, mientras que este porcentaje
es casi del 75% en Francia.
En el período inicial del desarrollo de la energía nuclear, en los primeros
años de la década de 1950, sólo disponían de uranio enriquecido Estados
Unidos y la URSS. Por ello, los programas de energía nuclear de Canadá,
Francia y Gran Bretaña se centraron en reactores de uranio natural, donde no
puede emplearse como moderador agua normal porque absorbe demasiados
neutrones. Esta limitación llevó a los ingenieros canadienses a desarrollar un
reactor enfriado y moderado por óxido de deuterio (D2O), también llamado
agua pesada. El sistema de reactores canadienses de deuterio-uranio
(CANDU), empleado en 20 reactores, han funcionado satisfactoriamente, y se
han construido centrales similares en la India, Argentina y otros países.
En Gran Bretaña y Francia, los primeros reactores de generación de
energía a gran escala utilizaban como combustible barras de metal de uranio
natural, moderadas por grafito y refrigeradas por dióxido de carbono (CO2),
gaseoso a presión. En Gran Bretaña, este diseño inicial fue sustituido por un
sistema que emplea como combustible uranio enriquecido. Más tarde se
introdujo un diseño mejorado de reactor, el llamado reactor avanzado
refrigerado por gas (RAG). En la actualidad, la energía nuclear representa casi
una cuarta parte de la generación de electricidad en el Reino Unido.
En Francia, el tipo inicial de reactor se reemplazo por el RAP de diseño
estadounidense cuando las plantas francesas de enriquecimiento isotópico
24
Manejo de Residuos Nucleares
empezaron a proporcionar uranio enriquecido. Rusia y los otros Estados de la
antigua URSS tienen un amplio programa nuclear, con sistemas moderados
por grafito y los RAP. A principios de la década de 1990, estaban en
construcción en todo el mundo más de 1,120 nuevas centrales nucleares.
En España, la tecnología adoptada en los reactores de las centrales
nucleares es del tipo agua ligera; sólo la central de Vandellós tiene reactor de
grafito refrigerado con CO2.
2.3.2.- Reactores Nucleares para producción de Energía Nucleoeléctrica:
Situación y Tendencias Actuales
Prácticamente todos los aspectos del desarrollo – desde la reducción de
la pobreza hasta la mejora de la atención de salud – requieren el acceso fiable
a servicios energéticos modernos. Ante el déficit creciente de energía y el
aumento de los precios de los combustibles fósiles, muchos países se están
orientando hacia la energía nucleoelectrica para aumentar la diversidad de sus
suministros de energía. Un factor que impulsa el renovado interés por la
energía nucleoeléctrica es que casi no emite gases de efecto invernadero.
A finales de 2007 había 34 reactores en construcción en el mundo.
Había 439 reactores nucleares de potencia en explotación, que suministraban
aproximadamente el 15% de la electricidad mundial. Se conectaron a la red
tres nuevos reactores — en China, la India y Rumania — y en los Estados
25
Manejo de Residuos Nucleares
Unidos de América se volvió a conectar una unidad que se encontraba
abandonada. No se retiro ningún reactor del servicio. Empezó la construcción
de siete reactores nuevos — en China, la Federación de Rusia, Francia y la
Republica de Corea — y se reanudaron los trabajos de construcción de Watts
Bar 2, en los EE.UU. La Comisión Reguladora Nuclear de los Estados Unidos
(CRN) recibió solicitudes para construir cuatro reactores nucleares nuevos, los
primeros en casi 30 años.
2.4.- Principales Aplicaciones.
La principal aplicación de los materiales radioactivos es en la producción
energía nucleoeléctrica mediante la fisión nuclear de Uranio 235.
En los últimos 38 años, la población mundial creció de 3,334,874,000
habitantes en 1965 a 6,671,679,034 en 2008, y continuará en aumento. Según
las estimaciones actuales, en el año 2020 habitarán en este planeta unos 8,100
millones de personas, y casi el 90% del incremento de la población se
registrará en los países en desarrollo. El consumo actual de electricidad por
habitante en estos países, que puede utilizarse como indicador del nivel de
vida, es muy bajo, en uno o dos órdenes de magnitud inferior al de los países
industrializados (ver figura 2.4). Además de las numerosas necesidades
urgentes, tales como los alimentos, vestimenta, alojamiento y trabajo, la
26
Manejo de Residuos Nucleares
disponibilidad de energía es un requisito previo importante para el desarrollo
socioeconómico en todas las partes del mundo.
Fig. 2.4.- PIB vs. Consumo de Energía per Cápita en 2002.
2.4.1.- OTROS USOS DE LOS MATERIALES RADIOACTIVOS
2.4.1.1.- Radiaciones Ionizantes e Instalaciones Radioactivas.
Como se mencionó en el capítulo anterior, la principal aplicación de los
materiales radioactivos es en la producción de energía nucleoeléctrica. Por otro
lado, el uso de las radiaciones ionizantes ha permitido aplicar nuevas técnicas
en áreas como la medicina, la industria, la investigación y la agricultura.
Estas aplicaciones se realizan en instalaciones radiactivas que son
locales, laboratorios o fábricas en los que se manipulan, almacenan o producen
materiales radiactivos, los aparatos productores de radiaciones ionizantes y en
general, cualquier clase de instalación que contenga una fuente de radiación
ionizante.
27
Manejo de Residuos Nucleares
Las instalaciones radioactivas se clasifican en tres categorías en función
del riesgo radiológico asociado a los equipos o materiales radioactivos que
utilizan o almacenan. Las de mayor riesgo potencial son las de primera
categoría, las de segunda tienen un riesgo intermedio y las de tercera, un
riesgo bajo. Conviene señalar que las radiaciones ionizantes que se utilizan en
las instalaciones radioactivas se originan de dos formas esencialmente
distintas:
a) en un caso se producen a partir de equipos provistos de dispositivos
electrónicos que requieren forzosamente estar conectados a la red. Son
equipos capaces de transformar parte de la energía eléctrica que
consumen en radiación ionizante. A estos equipos basta con
desconectarlos de la fuente de suministro eléctrico para que dejen de
emitir radiación.
b) En el otro, tiene su origen en el propio material radioactivo, el cual puede
encontrarse en la naturaleza, como es el caso del uranio, o bien puede
ser obtenido artificialmente, es decir fabricado por el hombre.
Todas
las
personas
que
manipulan
los
materiales
o
equipos
generadores de radiación ionizante, o dirigen estas actuaciones deben
disponer de formación específica con el fin de evitar riesgos radiológicos. En la
valoración del riesgo radiológico, en el uso de materiales radiactivos,
intervienen la actividad y la radiotoxicidad del material, así pues, el riesgo
28
Manejo de Residuos Nucleares
aumenta con la cantidad de materia radioactivo presente o con su capacidad
para dañar a los seres vivos, en el caso de que los incorporaran al organismo a
través del aire, el agua, los alimentos, o la piel.
Por ello es muy importante, cuando se proyecta la utilización de
materiales radiactivos en cualquier proceso, seleccionar entre todos los que
son válidos para esa actividad, aquél que se supone un menor riesgo para el
personal implicado en su uso y para la población en conjunto.
De ahí que los materiales radioactivos que se utilizan en las
instalaciones radiactivas sean, generalmente, artificiales, fabricados a la
medida de las necesidades de cada caso.
Los materiales radioactivos naturales o artificiales están constitutitos por
átomos que emiten radiaciones independientemente del uso que se les dé, o
de las condiciones en que se almacenan, por lo que, cuando no se utilizan,
deben mantenerse en condiciones de seguridad, desde el punto de vista de la
protección radiológica.
Los usos de las radiaciones han proliferado en forma espectacular, y hoy
están presentes en muchos campos de la medicina, la industria, la
investigación y la agricultura entre otros.
29
Manejo de Residuos Nucleares
2.4.1.2.-Aplicaciones en la Medicina
En el campo de la medicina, las radiaciones ionizantes se utilizan como
una herramienta de diagnóstico o con fines terapéuticos (FOTO 2.1) en tres
grandes grupos de instalaciones: radioterapia, radiodiagnóstico y medicina
nuclear.
Foto 2.1.- Equipo Emisor de Radiaciones Ionizantes.
a) Radioterapia
En las instalaciones de radioterapia se utilizan las radiaciones ionizantes
con fines terapéuticos, en pacientes oncológicos, aprovechando los efectos
de estas radiaciones sobre los seres vivos, es decir, muerte celular con
elevadas dosis de radiación.
b) Radiodiagnóstico
El diagnóstico a partir de radiaciones se lleva a cabo, generalmente, por
medio de equipos generadores de rayos x que se conectan a la red eléctrica
y son capaces de suministrar, durante un tiempo determinado de antemano
30
Manejo de Residuos Nucleares
y con la intensidad prefijada, al haz de radiación que se requiere para cada
prueba. El paciente se sitúa frente al haz de radiación y actúa como material
absorbente, lo que permite que el haz residual, después de pasar a través
del paciente, contenga información sobre el espesor y la densidad de los
tejidos que ha atravesado.
c) Medicina nuclear.
Hay otras técnicas de diagnóstico que permiten comprobar la estructura
y el funcionamiento de algunos órganos en tiempo real.
Consisten en suministrar a los pacientes pequeñas cantidades de
material radioactivo no encapsulado, para que, al incorporarlo en su
organismo , se deposite en el órgano de interés y pueda ser detectado
desde el exterior por medio de equipos adecuados, proporcionando
información diagnóstica a partir de los datos sobre capacitación, depósito o
eliminación de material radiactivo. Se denominan técnicas “in vivo”.
d) Medicina Nuclear en Cardiología y Oncología
En cardiología el aporte de la energía nuclear ha permitido obtener
información sobre el estado de la circulación coronaria (por ejemplo
establecer si un paciente padeció de un infarto o tuvo isquemia) y en
oncología permite detectar antes que con cualquier otro método
convencional la presencia de cáncer.
31
Manejo de Residuos Nucleares
2.4.1.3.-Aplicaciones en la Industria.
En el campo industrial las aplicaciones de las radiaciones son numerosas.
La operación puede apoyarse en el efecto de la radiación sobre la materia, en
el efecto de la materia sobre la radiación, o en el uso de pequeñas actividades
de material radioactivo como trazador.
Ejemplo del primer caso en que las características de la materia se alteran
con la radiación son:
a) La señalización luminosa en lugares de alta concentración de personas,
b) Esterilización de material quirúrgico.
c) La obtención de plásticos con cualidades muy mejoradas.
d) El análisis cualitativo o cuantitativo de muestras.
En cuanto a las aplicaciones técnicas que se benefician de los efectos de la
materia sobre la radiación destacan:
a) El control de calidad en procesos industriales para ala fabricación de
diversos componentes y equipos.
b) La inspección de bultos para detectar explosivos, armas o drogas.
c) La medida de partículas en suspensión en el aire para hacer controles
de contaminación atmosférica.
32
Manejo de Residuos Nucleares
d) Las medidas de nivel, de llenado de envases, densidad o humedad.
Por último, como trazadores se están utilizando materiales radiactivos para
las actividades siguientes:
a) Medidas de transporte de fluidos, por ejemplos en mareas o corrientes
marinas (FOTO 2.2).
b) Detección y localización de flujos.
c) Control de homogeneidad en muestras.
d) Medidas de contaminación ambiental
e) Transporte de sedimento
Foto 2.2.- Uso de Materiales Radioactivos en la Medición de Corrientes
Marinas.
2.4.1.4.-Aplicaciones en la Agricultura.
En la agricultura, las aplicaciones de las radiaciones son también
diversas. Uno de los principales campos es el relacionado con el aumento en el
33
Manejo de Residuos Nucleares
rendimiento de los cultivos. Variedades en plantas como el maíz, el trigo el
sorgo, etc. Han sido desarrolladas para incrementar la producción por
hectáreas.
2.4.1.5.- Aplicaciones en la Investigación.
La capacidad de detectar materiales radioactivos por escasa que sea su
presencia en la materia, o de modificar una estructura tiene múltiples
aplicaciones en la investigación. Es bien conocida la determinación de la edad
de restos orgánicos a partir del contenido de carbono-14.
El Carbono-14 se produce continuamente en la atmósfera debido a que
los rayos cósmicos reaccionan con el nitrógeno, transformándolo en carbono14. Las plantas absorben el carbono radioactivo. Tras la muerte de la planta,
cesa la absorción y el carbono-14 incorporado se desintegra según su período
de vida media que es de 5,730 años.
Esa cantidad de carbono-14 puede, utilizarse para determinar la edad de
dicho cuerpo. El método se utiliza generalmente con objetos que tienen de
5,000 a 20,000 años de edad. Los materiales sobre los que se pueden realizar
mediciones son la madera, el hueso, los textiles, el marfil e incluso hierro viejo.
También, cabe destacar la utilización de radiaciones ionizantes en la
prospección de minerales, localización de recursos hídricos, movimiento de
aguas subterráneas y utilización racional de abonos, entre otros.
34