12 - Energía Nuclear de Fisión. Reactores.
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Física y Tecnología Energética 12 - Energía Nuclear de Fisión. Reactores. Núcleos e Isótopos Estabilidad nuclear Masas nucleares y energía Energía Fusión de nucleos pequeños Disminución de masa Fisión de nucleos grandes E = mc 2 Reacciones nucleares y radiactividad Fisión A B+C Fusión B+C Energía inicial A repulsión eléctrica distancia Energía fisión B+C Energía inicial B+C A repulsión eléctrica distancia Energía fusión Emisión radiactiva α Probabilidad de emisión espontánea por efecto túnel τ = 1 s − 10 000 años atracción nuclear A Otras emisiones radiactivas Desintegraciónβ Emisión γ e+ γ p n ν n p e– ν Provocada por la interacción “débil” Probabilidad de emisión espontánea si es energéticamente favorable τ = 1 ms − 10 horas Recolocación de nucleones en estado excitado Probabilidad de emisión espontánea τ = 1 ns Frecuentemente acompaña a los demás procesos La reacción de Fisión del Uranio 1 eV = = 1.6 x 10-19 J = = 3.8 x 10-20 cal 3 x 10 10 Fisiones por s de 235U = 1 Watio Fisión 1 gr 235U = = Combustión 3 Tm C Energía liberada en la fisión Productos de fisión Neutrones ( E. Cinética ) Rayos gamma Radiactividad posterior ( beta, gamma, neutrinos ) 166 MeV 5 MeV 8 MeV 27 Mev 206 Mev La reacción de Fisión del Uranio La reacción en cadena Un neutron induce una fisión Se producen nuevos neutrones Inducen mas fisiones Para obtener energía interesan nucleos que: • Se fisionen desprendiendo energía • La probabilidad de la fisión sea elevada • En la fisión se desprendan varios neutrones que puedan generar una reacción en cadena Núcleos útiles Núcleos interesantes para producir energía Nucleo Nº medio de neutrones por fisión Vida media 235U 2.3 7. x 108 años 239P 2.5 2.4x104 años 233U 2.5 1.6x105 años Al chocar un neutrón con un núcleo puede tener lugar... Fisión Difusión Absorción La fisión es más probable con neutrones lentos Los neutrones procedentes de la fisión ~ 1 MeV n deben ceder energía en las colisiones, para poder inducir una nueva fisión Cada proceso con su correspondiente probabilidad Núcleos útiles 235U El Uranio se encuentra en la naturaleza 235U ( 0.7% ), 238U ( 99.3% ) El 238U absorbe los neutrones rápidos dificulta la reacción en cadena Núcleos útiles 239Pu y 233U 239Pu 233U no existen en la Tierra se pueden obtener a partir de.. 238U ( 99.3% ) y 232Th ( 100% ) y 238 239 U 239 U t =10-9 s vida media = = 4.5 10 9 a 239 Np t =23 m γ Pu t= 2.3 d β β Flujo de neutrones en la reacción en cadena En un tiempo to entre fisiones N neutrones lentos η N neutrones rapidos fisión absorción escapan ( η - k ) N neutrones dN (k − 1) = N dt t0 ⇒ pierden energía por difusión k N neutrones lentos ⎡ ( k − 1) ⎤ N = N0 exp⎢ t⎥ ⎣ t0 ⎦ Criticidad de la reacción en cadena k factor de multiplicación de neutrones lentos Flujo de Neutrones lentos 3 2.5 supercrítico k > 1 Tiempo necesario para duplicar el flujo de neutrones to 2 k 10-3 s 10-8 s 1.1 10-2 s 10-7 s 1.01 0.1 s 1.001 1s 10-6 s 10-5 s 1.5 crítico k = 1 1 subcrítico k < 1 0.5 0 0.693 t0 / |k-1| tiempo Aplicación militar Para fabricar una bomba nuclear supercrítico k > 1 Mucha energía, en muy poco tiempo y muy concentrada Si la reactividad se duplica en t = 10-7 s Cantidad pequeña de material fisionable Aumenta un factor 1012 en t = 4 µs los neutrones escapan k<1 Baja concentración de material fisionable La geometría también es importante los neutrones son absorbidos Masas críticas para la bomba atómica Aplicación Pacífica Para obtener energía nuclear controlada crítico k = 1 La multiplicación de neutrones lentos, k, depende de la probabilidad de... fisión , cesión de energía por colisión elástica , absorción y escape Considerando Las características del nucleo fisionable La presencia de material que absorba neutrones La presencia de material que tenga colisiones elásticas con los neutrones, frenándolos La disposición geométrica de los elementos Se puede diseñar un reactor que alcance la criticidad k = 1 El control de la reacción El reactor debe funcionar normalmente en estado crítico k=1 Además, cambiando la disposición, debe poder... Hacerse muy ligeramente supercrítico k = 1 + δ para iniciar la reacción lentamente Hacerse subcrítico k < 1 para parar la reacción Variación relativa de la reactividad 104 Teniendo en cuenta los neutrones diferidos, se pueden conseguir variaciones de reactividad suficientemente lentas k = 1.001 103 102 101 k=1 1 0.1 1 10 102 tiempo en segundos 103 Elementos de un reactor de Fisión: El Combustible Barras de control Barras de combustible U 4m 1 cm Las vainas de las barras de combustible deben resistir el flujo neutrónico Zircalloy Acero inoxidable Elementos de un reactor de Fisión: El Moderador Frenando los neutrones hace posible la reacción en cadena moderador U Se evita la captura resonante de neutrones por el 238U n U No ser un absorbente de neutrones Un buen moderador debe cumplir: Tener elevada densidad atómica Tener poco peso molecular Agua H 2O, Agua Pesada D 2O, Grafito C Elementos de un reactor de Fisión: Barras de control y fluido refrigerante. • Barras de control Permiten aumentar o disminuir el número de neutrones Material muy absorbente de neutrones Sacándolas - Aumentan la reactividad Metiéndolas - Paran la reaccióm Compuestos de Boro y Cadmio • Fluido Refrigerante Impide que las barras se calienten demasiado y extrae el calor generado en el reactor para aprovecharlo Gases CO2 , Líquidos H2O , D2O , Sodio fundido Elementos de un reactor de Fisión: Generación de Electricidad Tipos más habituales de reactores • PWR Reactor de agua Presurizada • BWR Reactor de agua en ebullición U enriquecido, H2O en ebullición como moderador y refrigerante • GGR Grafito-Gas • Reactor Rápido U enriquecido, H2O a presión como moderador y refrigerante U natural, Grafito como moderador y CO2 como refrigerante 239Pu o 233U o U muy enriquecido, sin moderador y Na como refrigerante Reactor de agua en ebullición (BWR) Transformador Cupula de contención Turbinas Vapor 285 °C Alternador Nucleo Condensador Vasija Torre de convección Barras de control Reactor de agua presurizada (PWR) Transformador Cupula de contención Barras de control Presurizador Turbinas Vapor 260 °C Alternador Nucleo 340 °C Condensador Torre de convección Vasija Reactor de Uranio natural y Grafito-Gas Cupula de contención Transformador Barras de control Turbinas Vapor Nucleo 285 °C Alternador CO2 Condensador Vasija Torre de convección Reactor reproductor rápido •Un neutrón mantiene la fisión en cadena del 239Pu •Los demás neutrones pueden generar 239Pu a partir del 238U Puede generar más combustible del que consume El doble en 10-20 años También puede emplearse la pareja 233U ( activo ) - 232Th ( fertil )
