La Energía Nuclear

ENERGÍA NUCLEAR
1. RADIACIÓN NATURAL
En 1896 Becquerel descubrió que ciertas sales de uranio emitían radiaciones
espontáneamente, al observar que velaban las placas fotográficas
envueltas en papel negro. Hizo ensayos con el mineral en caliente, en frío,
pulverizado, disuelto en ácidos y la intensidad de la misteriosa radiación era
siempre la misma. Por tanto, esta nueva propiedad de la materia, que
recibió el nombre de radiactividad, no dependía de la forma física o
química en la que se encontraban los átomos del cuerpo radiactivo, sino
que era una propiedad que radicaba en el interior mismo del átomo.
El estudio del nuevo fenómeno y su desarrollo posterior se debe casi
exclusivamente al matrimonio Curie, quienes encontraron otras sustancias
radiactivas como el torio, polonio y radio. La intensidad de la radiación
emitida era proporcional a la cantidad de uranio presente, por lo que
dedujo Marie Curie que la radiactividad era una propiedad atómica.
El fenómeno de la radiactividad se origina exclusivamente en el núcleo de
los átomos radiactivos.
Se cree que la causa que lo origina es debida a la interacción neutrón-protón del
mismo y, entre otros efectos, son capaces de ionizar el aire y de producir la
descarga de cuerpos cargados eléctricamente.
Las radiaciones emitidas son de tres tipos:
2
Radiación Alfa: Las partículas alfa α 4 He son conjuntos de dos protones y
dos neutrones, es decir, el núcleo de un átomo de helio, eyectadas del núcleo de
un átomo radiactivo. La emisión de este tipo de radiación ocurre en general en
átomos de elementos muy pesados, como el uranio, el torio o el radio.
Interacción de las Radiaciones Alfa con la Materia
Es una radiación poco penetrante que puede ser detenida por una simple hoja de
papel sin embargo no son inofensivas ya que pueden actuar en los lugares en que
se depositan ya sea por sedimentación o por inhalación.
Radiación beta
0
Las partículas beta β
tienen una carga negativa y una masa muy
−1
pequeña, por ello reaccionan menos frecuentemente con la materia que las
alfa pero su poder de penetración es mayor que en estas (casi 100 veces más
penetrantes). Son frenadas por metros de aire, una lámina de aluminio o
unos cm. de agua.
Cuando un núcleo expulsa una partícula beta, un neutrón es transformado en
un protón. El núcleo aumenta así en una unidad su número atómico, Z, y por
tanto, se transmuta en el elemento siguiente de la Tabla Periódica de los
Elementos
Este tipo de radiación son producidos en reacciones nucleares naturales, y más
a menudo, en las plantas de energía nuclear..
e
Radiación gamma ϒ
Las emisiones alfa y beta suelen ir asociadas con la emisión gamma. Es decir
las radiaciones gamma suelen tener su origen en el núcleo excitado
generalmente, tras emitir una partícula alfa o beta, el núcleo tiene todavía un
exceso de energía, que es eliminado como ondas electromagnéticas de
elevada frecuencia. Los rayos gamma no poseen carga ni masa.
Su energía es variable, pero en general pueden atravesar cientos de metros
en el aire, y son detenidas solamente por capas grandes de hormigón,
plomo o agua.
Partículas
Partícula α
Propiedades y símbolo
4
2
He
0
−1
Partícula β
Partícula ϒ
Protón
Neutrón
Positrón
e
Onda electromagnética sin masa ni carga
1
1
H
1
0
n
0
1
e
Radiactividad artificial
http://newton.cnice.mec.es/2bach/radiactividad/
Se produce la radiactividad inducida cuando se bombardean ciertos núcleos
estables con partículas apropiadas. Si la energía de estas partículas tiene un
valor adecuado penetran dentro del núcleo bombardeado y forman un nuevo
núcleo que, en caso de ser inestable, se desintegra después radiactivamente.
Fue descubierta por los esposos Jean y FredericJoliot-Curie,
bombardeando núcleos de boro y aluminio con partículas alfa. Observaron
que las sustancias bombardeadas emitían radiaciones después de retirar el
cuerpo radiactivo emisor de las partículas de bombardeo.
Al bombardear núcleos de uranio con los neutrones recién descubiertos, parte
de los productos que aparecían era bario. Era el resultado de la división de los
núcleos de uranio: la primera observación experimental de la Fisión Nuclear.
Además del bario, se emitían neutrones secundarios en esa reacción, haciendo
factible la reacción en cadena.
Energía nuclear
Recuerda: 1 J (julio) son 16,02 billones de MeV (megaelectronesvoltios)
REACCIONES NUCLEARES DE INTERÉS ENERGÉTICO
FISIÓN NUCLEAR: En la fisión, el núcleo estable, al ser bombardeado por
partículas, se rompe en dos núcleos desiguales más ligeros. En el proceso
se libera energía (proceso exotérmico) y se produce la emisión de varias
partículas.
Los neutrones son buenos proyectiles ya que al no tener carga son menos
rechazados por parte del núcleo. Los neutrones emitidos en la fisión son
neutrones rápidos y con energías altas del orden de 1 Mev. Pueden pasar
a ser neutrones lentos o térmicos, con energías del orden de 1 ev, si
pierden parte de su energía por choques con partículas de un moderador.
La energía de un neutrón lento es suficiente para fisionar el U-235 en dos
partes desiguales.
Los núcleos masivos al romperse producen dos nuevos elementos.
Estos núcleos suelen tener números másicos entre los valores 50 y 82.
El proceso se puede escribir en dos etapas:
Captura del neutrón
Proceso de fisión
Este proceso es de gran utilidad porque:
1.- Se libera mucha energía
2.- El proceso se automantiene. La liberación de neutrones, dos o tres por
cada núcleo fisionado (unos 2,5 de media), hace que estos puedan provocar
nuevas fisiones al chocar con otros núcleos originándose así una reacción en
cadena.
Por término medio la energía liberada en la fisión de un núcleo de U-235 es
del orden de los 200 MeV y procede de la perdida de masa originada en el
proceso
La energía liberada puede utilizarse de dos formas:
• Para fines militares: el proceso transcurre de forma incontrolada
(bomba atómica)
• Para fines pacíficos: fuente de energía en los reactores nucleares de
las centrales nucleares.
FUSIÓN NUCLEAR: la fusión es el proceso por el que dos núcleos de átomos
ligeros (H, He, etc) se unen para formar un nuevo elemento más pesado.
Para lograrlo hay que suministrar a los átomos la energía suficiente para que,
superada la repulsión electrostática, se acerquen tanto sus núcleos que
queden bajo la atracción de la fuerza nuclear aglutinados.
La energía liberada por el núcleo de helio formado es del orden de 26 MeV
Para que se inicie la fusión se requiere una energía inicial de activación pero,
una vez iniciada, la reacción es exotérmica y la energía liberada la
automantiene.
La fusión se produce en el Sol, pero para que los átomos de H de un globo
aerostático se unan para formar He deben acercarse lo suficiente para que
surjan las fuerzas de enlace entre sus núcleos (para ello necesitan una
energía de activación).
Lograr la fusión de forma controlada tiene grandes dificultades técnicas. Se
requiere muchísima energía de activación (hay que poner los átomos de
combustible a 100 millones de ºC) por eso esta reacción se denomina
termonuclear. A esta temperatura la materia se encuentra en estado de
plasma (átomos en un mar de electrones desligados) y no se puede confinar
en ningún recipiente porque ninguno soporta esta temperatura.
La bomba de H es un ejemplo de reacción termonuclear no controlada. Para
iniciar la reacción se hace explotar una bomba atómica convencional de uranio
que aporta la energía inicial necesaria.
La energía liberada puede utilizarse de dos formas:
• Para fines militares: el proceso transcurre de forma incontrolada
(bomba de hidrógeno- bomba H)
• Para fines pacíficos: en proceso de estudio para conseguir la fusión de
forma controlada y económica.
Características de un reactor nuclear de fisión
En el núcleo del reactor podemos identificar los siguientes elementos:
• Combustible.-Isótopo fisionable o fértil (puede convertirse en fisionable por
activación neutrónica): Uranio-235, Uranio-238, Plutonio-239, Torio-232, o
mezclas de estos (combustible típico en la actualidad es el MOX, Mezcla de
Óxidos de Uranio y de Plutonio). Suele estar recubierto de una capa
protectora (vaina) generalmente metálica y que lo aísla del exterior, para
evitar posibles reacciones químicas y la salida de productos de fisión
altamente radiactivos.
• Moderador.- Agua, agua pesada, helio, grafito o sodio metálico: Cumplen
con la función de frenar la velocidad de los neutrones producidos por la
fisión, para que tengan la oportunidad de interactuar con otros átomos
fisionables y mantener la reacción.
• Refrigerante.- Agua, agua pesada, helio, anhídrido carbónico grafito o
sodio metálico: Conduce el calor generado hasta un intercambiador de calor,
o bien directamente a la turbina generadora de electricidad o propulsión.
Rodeando al núcleo aparecen:
Reflector.- Agua, agua pesada, grafito, uranio: Reduce el escape de
neutrones y aumenta la eficiencia del reactor.
Blindaje.- Hormigón, plomo, acero, agua: Evita la fuga de radiación gamma y
neutrones rápidos.
Además encontramos:
Material de control.- Cadmio o Boro: Hace que la reacción en cadena se
pare. Son muy buenos absorbentes de neutrones. Generalmente se usan en
forma de barras (de acero borado por ejemplo) o bien disuelto en el
refrigerante.
Elementos de Seguridad.- Todas las centrales nucleares de fisión, constan
en la actualidad de múltiples sistemas, activos (responden a señales
eléctricas), o pasivos (actúan de forma natural, por gravedad, por ejemplo). La
contención de hormigón que rodea a los reactores es la principal de ellas.
Evitan que se produzcan accidentes, o que, en caso de producirse, haya una
liberación de radiactividad al exterior del reactor.
Existen varios tipos fundamentales de Reactores Nucleares de fisión en la
actualidad:
LWR - Light Water Reactors (Reactores de Agua Ligera): Utilizan como
Refrigerante y Moderador el agua. Como Combustible uranio enriquecido.
Los más utilizados son:
•los BWR (Boiling Water Reactor ó Reactores de Agua en Ebullición)
•los PWR (Pressure Water Reactor ó Reactores de Agua a Presión),
estos últimos considerados en la actualidad como el estándar. (345 en
funcionamiento en el 2001)
CANDU - Canada Deuterium Uranium (Canadá Deuterio Uranio): Utilizan
como Moderador Agua pesada (compuesta por dos átomos de deuterio y uno
de oxígeno) y como Refrigerante agua común. Como Combustible utilizan
uranio natural. (34 en funcionamiento en el 2001)
FBR - Fast Breeder Reactors (Reactores Rápidos Realimentados): Utilizan
neutrones rápidos en lugar de térmicos para la consecución de la fisión.
Como Combustible utiliza plutonio y como Refrigerante sodio líquido. Este
reactor no necesita Moderador. (4 en funcionamiento en el 2001)
HTGR - High Temperature Gas-cooled Reactor (Reactor de Alta Temperatura
Refrigerado por Gas): Usa una mezcla de torio y uranio como Combustible.
Como Refrigerante utiliza helio y como Moderador grafito. (34 en
funcionamiento en el 2001)
RBMK - Reactor Bolshoy Moshchnosty Kanalny (Reactor de Canales de Alta
Potencia): Su principal función es la producción de plutonio, y como
subproducto genera electricidad. Utiliza grafito como Moderador y agua como
Refrigerante. Uranio enriquecido como Combustible. Puede recargarse en
marcha. Tiene un coeficiente de reactividad positivo. (14 en funcionamiento en
el 2001)
ADS - Accelerator Driven System (Sistema Asistido por Acelerador): Utiliza una
masa subcrítica de torio, en la que se produce la fisión solo por la introducción,
mediante aceleradores de partículas, de neutrones en el reactor. Se
encuentran en fase de experimentación, y una de sus funciones fundamentales
será la eliminación de los residuos nucleares producidos en otros reactores de
fisión.
CENTRALES NUCLEARES
Una central nuclear es una instalación industrial empleada para la generación
de energía eléctrica a partir de energía nuclear, que se caracteriza por el
empleo de materiales fisionables que mediante reacciones nucleares
proporcionan calor. Este calor es empleado por un ciclo termodinámico
convencional para mover un alternador y producir energía eléctrica.
En una central nuclear se producen las siguientes transformaciones
energéticas:
• En el interior del reactor la energía nuclear en energía calorífica
• En las turbinas la energía calorífica en mecánica (cinética de rotación)
• En el alternador la energía mecánica en energía eléctrica
Estas centrales constan de uno o varios reactores, que son contenedores
(llamados habitualmente vasijas) en cuyo interior se albergan varillas u otras
configuraciones geométricas de minerales con algún elemento fisil (es decir,
que puede fisionarse) o fértil (que puede convertirse en fisil por reacciones
nucleares), usualmente uranio, y en algunos combustibles también plutonio,
generado a partir de la activación del uranio. En el proceso de fisión
radiactiva, se establece una reacción que es sostenida y moderada
mediante el empleo de elementos auxiliares dependientes del tipo de
tecnología empleada.
Las instalaciones nucleares son construcciones muy complejas por la
variedad de tecnologías industriales empleadas y por la elevada seguridad
con la que se les dota. Las características de la reacción nuclear hacen que
pueda resultar peligrosa si se pierde su control y prolifera por encima de una
determinada temperatura a la que funden los materiales empleados en el
reactor, así como si se producen escapes de radiación nociva por esa u otra
causa.
En España las centrales nucleares generan el 21% de la energía eléctrica
necesaria
Central nuclear PWR
Central nuclear BWR
Maqueta de una
central nuclear
tipo PWR
Torres de refrigeración de la central nuclear de Cofrentes, España,
expulsando vapor de agua.
Central nuclear de Three Mile Island,Harrisburg – Pensilvania EE.UU en la que en marzo de
1979 se produjo el segundo accidente nuclear más importante del mundo.
Centrales nucleares en España
Santa María de Garoña. Situada en Garoña (Burgos). Inaugurada en 1970. Tipo BWR. Potencia 466 MW
Almaraz I. Situada en Almaraz (Cáceres). Inaugurada en 1980. Tipo PWR. Potencia 980 MW
Almaraz II. Situada en Almaraz (Cáceres). Inaugurada en 1983. Tipo PWR. Potencia 984 MW
Ascó I. Situada en Ascó (Tarragona). Inaugurada en 1982. Tipo PWR. Potencia 1.032,5 MW
Ascó II. Situada en Ascó (Tarragona). Inaugurada en 1985. Tipo PWR. Potencia 1.027,2 MW
Cofrentes. Situada en Cofrentes (Valencia). Inaugurada en 1984. Tipo BWR. Potencia 1.097 MW
Vandellós II. Situada en Vandellós (Tarragona). Inaugurada en 1987. Tipo PWR. Potencia 1.087,1 MW
Trillo. Situada en Trillo (Guadalajara). Inaugurada en 1987. Tipo PWR. Potencia 1.066 MW
Proyectos paralizados en la moratoria nuclear:
Lemóniz I y II. provincia de Vizcaya.
Valdecaballeros I y II. provincia de Badajoz.
Trillo II. provincia de Guadalajara.
Escatrón I y II. provincia de Zaragoza.
Santillán. provincia de Cantabria.
Regodola. provincia de Lugo.
Sayago. provincia de Zamora.
Centrales desmanteladas o en proceso de desmantelamiento:
Vandellós I. Situada en Vandellós i l’Hospitalet de l’Infant (Tarragona). Inaugurada en 1972. Clausurada
en 1989. Potencia 480 MW.
José Cabrera. Situada en Almonacid de Zorita (Guadalajara). Inaugurada en 1968 y parada definitiva en
2006. Tipo PWR. Potencia 160 MW.
Ventajas e inconvenientes de las centrales nucleares:
Ventajas: Las instalaciones que utilizan energía nuclear se caracterizan por:
• Producen una gran cantidad de energía eléctrica,
• no produce contaminación atmosférica de gases de efecto invernadero,
• no precisan el empleo de combustibles fósiles para su operación,
• Las buenas condiciones de funcionamiento, además de no precisar del
oxígeno atmosférico
• el combustible es de larga duración y de volumen reducido.
Inconvenientes:
• los bajos rendimientos de las centrales nucleares a causa de las
pérdidas de energía que tienen lugar en los circuitos de refrigeración;
• los elevados costos de las instalaciones, gravados por los complicados
dispositivos de seguridad necesarios para evitar fugas radiactivas.
• los residuos nucleares altamente contaminantes y duraderos que hay
que albergar en depósitos aislados y controlados durante largo tiempo,
• las emisiones contaminantes indirectas derivadas de su propia
construcción, de la fabricación del combustible y de la gestión posterior de
los residuos radiactivos.
• la modificación del ecosistema por los procedimientos de refrigeración,
• los posibles escapes de materiales contaminados,
• los posibles accidentes nucleares.
Aspectos medioambientales de la energía
nuclear
Ha habido importantes accidentes nucleares:
El accidente de Chernobyl (Ucrania, 1986) está
clasificado como accidente de nivel 7, liberación
grave, efectos múltiples para la salud y el medio
ambiente.
El accidente de la isla de las tres millas (EE.UU).
de nivel 5 en marzo de 1979.
La existencia de estos riesgos, conlleva la
implantación de importantes sistemas de
seguridad, que se aplican durante el periodo de
construcción de la central, y más tarde cuando se
encuentra ya en funcionamiento. Incluye
aspectos de comprobación de los equipos,
instrucción adecuada del personal y análisis
continuo de las aguas, cultivos, tejidos animales,
etc.
Aunque el riesgo siempre existe, el nivel de
radiación originado por una central nuclear en
correcto estado de funcionamiento es muy inferior
al que producen otros objetos como la tele, el
microndas y otros.
Residuos radiactivos
Se designan con el nombre de residuos radiactivos aquellos materiales
que contienen radioisótopos en proporción superior a la admitida por la
legislación correspondiente.
La mayor parte provienen de las centrales nucleares, aunque también
se originan en centros de investigación y en algunos aparatos
científicos. Pueden ser sólidos, líquidos y gaseosos.
Los residuos sólidos de baja y media radiactividad se mezclan con
hormigón y se introducen en bidones, que se almacenan primero en la
propia central y luego se transportan hasta su emplazamiento definitivo.
Los residuos sólidos de alta radiactividad se almacenan primero en la
propia central, en piscinas de hormigón llenas de agua.
Cabe mencionar los problemas que se plantean ante el
desmantelamiento definitivo de una central nuclear por su elevado
coste y por los dispositivos de seguridad que es necesario emplear