Litio en Energía Nuclear: Tesis sobre Fusión y Fisión

Universitario(a): Univ. Hernan Fernando Aguirre Campero
Docente: Ing. Isaías Lizarazu Izquierdo
Carrera: Ingeniería mecánica
Fecha: 08 de diciembre de 2022
Potosí - Bolivia
1
ÍNDICE
Pag.
I
II
III
IV
V
RESUMEN EJECUTIVO
3
CARACTERÍSTICAS GENERALES
8
I.1 Datos técnicos
8
I.2 Principales minerales del litio
8
I.3 Tipos de yacimientos
9
PROCESO PRODUCTIVO
18
II.1 Principales usos
18
II.2 Futuros usos
25
REACTORES DE FUSIÓN NUCLEAR
26
III.1 Función del litio en reactor nuclear
27
III.2 ¿Qué es una función nuclear
28
ENERGÍA NUCLEAR
30
IV.1 Fisión nuclear
31
IV.2 Fusión nuclear
32
IV.3 El confinamiento
34
IV.4 Reactores de agua a presión (PWR)
35
IV.5 Reactores de agua en ebullición (BWR)
37
CENTRALES NUCLEARES EN EL MUNDO
38
V.1 Tipos de instalaciones nucleares
39
V.2 El proyecto ITER
40
V.3 ¿Qué podrá hacer el ITER?
41
VI. RESERVAS
43
BIBLIOGRAFÍA
44
2
RESUMEN EJECUTIVO
El litio se ha convertido en un elemento clave de las tecnologías en la segunda
década del siglo XXI. Sus aplicaciones y su uso han crecido exponencialmente. En
igual sentido las investigaciones relacionadas con el elemento tanto en los aspectos
geológicos, metalogénicos, químicos e industriales. En el ámbito mundial el litio fue
identificado por primera vez en Suecia por Johan August Arfvedson en 1817. El
químico y geólogo argentino Luciano R. Catalano llamó la atención sobre su
presencia en los salares puneños en la década de 1920
El litio se deriva de la palabra griega "LITHOS", que significa piedra. Es un elemento
metálico, blanco-plateado, y químicamente reactivo; es el más ligero en peso de
todos los metales y de bajo punto de fusión. Se encuentra presente en una amplia
gama de minerales (aproximadamente 145 especies mineralógicas); sin embargo,
3
sólo algunos poseen valor económico, siendo los principales: espodumena,
ambligonita, lepidolita y petalita.
Este elemento se encuentra presente tanto en pegmatitas, como en salmueras, pozos
petrolíferos, campos geotérmicos, arcillas e, incluso, en los océanos. En la actualidad,
sólo dos procesos de obtención han demostrado ser económicamente factibles: a)
salmueras y b) pegmatitas.
¿Qué es una central nuclear?
Una central nuclear es una instalación industrial en la que se genera electricidad a
partir de la energía térmica producida mediante reacciones de fisión en la vasija de
un reactor nuclear.
El componente central de una central es el reactor, que es la instalación donde se
aloja el combustible nuclear y que cuenta con sistemas que permiten iniciar,
mantener y detener, de modo controlado, reacciones nucleares de fisión que liberan
grandes cantidades de energía térmica.
La energía térmica liberada se utiliza para calentar agua hasta convertirla en vapor a
alta presión y temperatura. Este vapor hace girar una turbina que está conectada a
un generador que transforma la energía mecánica del giro de la turbina en energía
eléctrica, lista para su utilización industrial.
El principio de funcionamiento de una central nuclear es análogo al de una central
térmica convencional (de carbón, fuel o gas) y consiste en transformar la energía
térmica liberada por un combustible en energía mecánica, y ésta en energía eléctrica.
El calor producido en el reactor de la central calienta agua hasta generar vapor a alta
presión y temperatura. Posteriormente, este vapor acciona una turbina acoplada a un
generador eléctrico, que transforma la energía mecánica del giro de la turbina en
energía eléctrica.
Aunque este principio básico de funcionamiento es relativamente sencillo, la
tecnología aplicada es de una gran complejidad debido a los fenómenos físicos que
se ponen en juego, las grandes potencias alcanzadas, los requisitos técnicos y las
estrictas medidas de seguridad necesarias para garantizar, en todo momento, tanto la
seguridad de los trabajadores y de la población como la protección del medio
ambiente.
4
La participación del litio
El deuterio es una sustancia abundante en la naturaleza y es posible extraerlo, por
ejemplo, del agua de mar. En cambio, el tritio no es un elemento natural, pero puede
ser generado como producto secundario de los actuales reactores de fisión. En la
fusión nuclear se planea generar tritio a partir de litio, sustancia disponible con
abundancia en la naturaleza (en ciertas rocas, en salares y en el agua de mar). La
producción de tritio a partir de litio requiere del impacto de neutrones con compuestos
de litio (cerámicos y aleaciones), dentro del mismo reactor de fusión. A estos
materiales se los conoce como reproductores de tritio. Los combustibles para la
reacción de fusión, deuterio y litio, están disponibles con amplia distribución
geográfica, y se estima habrá suficiente para la generación de energía por fusión
durante millones de años.
Se espera que a medio o largo plazo la tecnología logre fusionar de forma controlada
tritio y deuterio. Esta fuente de energía sería inagotable, pues el deuterio está
presente en el agua de mar y el tritio, que también es muy abundante en la corteza
terrestre. En un primer momento el tritio se produciría mediante la radiación por
neutrones de litio en reactores de fisión nuclear, para más tarde aplicar un método de
obtención de tritio a partir de unos paneles de litio en los reactores de fusión nuclear
que serían bombardeados por los neutrones libres producto de la fusión. El producto
de la fusión de ambos elementos es el helio, que no es radiactivo, pero se
producirían residuos radiactivos en la fase previa de fisión nuclear que
utilizaría uranio o plutonio para producir tritio antes de aplicar un método de obtención
de tritio en los reactores de fusión nuclear.
5
6
7
I.
CARACTERÍSTICAS GENERALES
I.1
D a t o s Técnicos
El litio deriva de la palabra griega "LITHOS", que significa piedra. Es un
elemento metálico, blanco plateado, químicamente reactivo, el más ligero en
peso de todos los metales, y de bajo punto de fusión. Su símbolo en la tabla
periódica es Li. Es un elemento fuertemente electropositivo, lo que le confiere
gran poder de reactividad frente a los agentes químicos.
El litio es un elemento moderadamente abundante y está presente en la corteza
terrestre en 65 partes por millón (ppm). El litio se encuentra presente en
una amplia gama de minerales (aproximadamente 145 especies
mineralógicas lo
contienen) sólo algunas poseen valor económico
I.2
Principales minerales de Litio
Nombre
Fórmula
% Li2O
Espodumena
(Si2O6)LiAl
8.0
Ambligonita
PO4LiAlF
10.1
Lepidolita
(AlSi3O10)K(Li,Al)(O,OH,F)
3.3 a 7.0
Petalita
LiAl(Si4O10)
--
Asimismo, el litio se encuentra en salmueras de diversos orígenes, como
salmueras naturales, salmueras asociadas a pozos petrolíferos y a campos
geotérmicos. Las salmueras con valor económico se encuentran básicamente en
salares y lagos salinos.
También se encuentra presente en diversas arcillas (siendo la hectorita la más
importante) y en el agua de mar, en concentraciones del orden de 0.17 ppm.
8
Propiedades Físicas del Litio
Número atómico
Peso atómico
Estructura
Punto de fusión 0 ºC
Punto de ebullición, 0 ºC
Peso específico O ºC
Calor específico del estado líquido (sobre 200 ºC)
Calor especifico, 0 ºC cal/gr. ºC
Resistividad, 0 ºC
Coef. de temp. De resistividad por 0 ºC
Calor de fusión, cal/gr. ºC
Dureza escala de Mohs
Calor de formación en Kcal/mol gr. (hidrox)
1 culombio deposita:
1 amperio hora deposita
3
6.941
Monoclínico
186
1.336
0.534
1.0
0.784
8.55
4.5 x 10-3
103.2
0.6
116
0.072823 mg de Li
0.262162 gr. de Li
Li con 92.4 % peso
Presenta 2 isótopos estables
Li con 7.6 % peso
Potencial de oxidación, volts
3.05
Densidad (gr./cc.)
0.534
Fuente: Kirk-Otkmer, 1961
I.3
Tipos de Yacimiento
El litio se extrae a partir de tres tipos de depósitos: salmueras, pegmatitas y
rocas sedimentarias.
Salmueras
Depósitos de salmuera representan alrededor del 66% de los recursos de litio a
nivel mundial y se encuentran principalmente en las salinas de Chile, Argentina,
China y el Tíbet.
La composición de las salmueras en cuánto a los niveles de contenidos de litio
varía considerablemente, cambiando también la presencia de otros
elementos como potasio, sodio, calcio, magnesio, hierro, boro, bromo, cloro,
nitratos, cloruros, sulfatos y carbonatos, lo cual requiere que cada salmuera sea
tratada en forma particular, de acuerdo a su composición.
9
En general, la extracción de litio a partir de fuentes de salmuera ha
demostrado ser más rentable que la producción a partir del mineral de roca dura
(pegmatitas). Mientras que la producción de litio de roca dura, una vez
dominó el mercado, ahora la mayoría de carbonato de litio que se produce se
efectúa partir desalmueras continentales, debido sobre todo al menor costo de
producción.
Hay tres tipos de depósitos de salmuera: continental, geotérmicas y campos
petrolíferos, el más común es en cuencas continentales del desierto salino
(también conocidos como los lagos de sal, salinas o salares). Están
ubicados cerca de aparatos volcánicos y se componen de arena, minerales y
agua con altasconcentraciones de sales disueltas.
Salmueras continentales
Son la forma más común de salmuera que contiene litio. La mayoría de la
producción de litio mundial proviene de este tipo. El mejor ejemplo son los 3,000
kilómetros cuadrados del Salar de Atacama, en Chile, que contiene una
concentración de litio promedio de alrededor de un 0.14 por ciento (los más altos
conocidos) los recursos de litio se estiman en 6,3 millones de Ton. Dos de los
productores de litio más importantes del mundo: Sociedad Química y Minera
10
(NYSE: SQM) y Rockwood Holdings (NYSE: ROC), operan en el Salar de
Atacama, el cual produce más de la mitad de litio que se consume en el mundo.
Salmueras geotérmicas
Las salmueras geotérmicas representan el 3% de los recursos mundiales
conocidos de litio y se componen de una solución salina caliente, concentrada que
ha circulado a través de rocas de la corteza terrestre en áreas de flujo de calor
extremadamente alto y se enriquecen con elementos como el litio, boro y potasio.
Pequeñas cantidades de litio se encuentran en las salmueras en Wairakei; Nueva
Zelanda; Reykanes campo, en Islandia; y El Tatio, en Chile.
El Mar de Saltón, en el sur de California, es el ejemplo más conocido de una
salmuera geotérmica que contiene litio. Simbol Materials, es una compañía
privada con sede en California, que produce carbonato de litio de alta pureza a
partir de salmuera producidas por la descarga de una planta de energía
geotérmica que operan en el Mar de Saltón. La compañía está utilizando un
proceso de ósmosis inversa que elimina la necesidad de evaporación solar,
haciendo que las operaciones sean más rentables. Simbol espera aumentar la
producción de 8,000 toneladas al año a 64,000 toneladas en 2020.
11
Salmueras de campos petrolíferos
Salmueras de litio enriquecido también se pueden encontrar en algunos
yacimientos profundos de petróleo, que representan el 3% de los recursos
mundiales conocidos. Dakota del Norte, Wyoming, Oklahoma, Arkansas y el este
de Texas son el hogar de las salmueras de campos petroleros con
concentraciones de hasta 700 mg/l, de acuerdo al geólogo Keith Evans.
Depósitos pegmatita o depósitos " Roca Dura"
Pegmatita es roca ígnea intrusiva de grano grueso formado a partir de magma
cristalizado e n e l i n t e r i o r d e l a c o r t e z a t e r r e s t r e , l a c u a l
puede
12
c o n t e n e r cantidades extraíbles de un número de elementos, incluyendo litio,
estaño, tántalo y niobio. Esta forma de depósito representa el 26 por ciento de los
recursos mundiales conocidos de litio. Mineral de roca dura que contiene litio se
extrae a través de la explotación de minas a cielo abierto o subterránea, usando
las técnicas mineras tradicionales. El mineral es procesado y se concentra
usando una variedad de métodos antes de su uso directo o su posterior
transformación en compuestos de litio.
El procedimiento para la extracción de litio de pegmatita o mineral de roca dura es
caro, lo que significa que dichos depósitos se encuentran en desventaja en
comparación con los depósitos de salmuera; sin embargo, la concentración de litio
en pegmatitas es considerablemente más alto que en las salmueras, de tal
manera que depósitos con valores extremadamente altos de litio pueden todavía
ser económicamente viables. La producción de otros recursos, como el estaño y el
tantalio, puede ayudar a compensar los costos de procesamiento.
El Litio en pegmatitas se encuentra más comúnmente en el mineral espodumena,
pudiendo también estar presente en petalita, lepidolita, ambligonita y eucriptita.
Alaska, el norte de Ontario, Quebec, Irlanda y Finlandia son conocidas por sus
yacimientos de litio en pegmatitas. Uno de los principales yacimientos con estas
13
características se ubica en Greenbushes, Australia; el cual tiene un recurso
estimado de 560,000 toneladas de mineral de litio, con una concentración media
de alrededor de 1.6 por ciento.
Rocas sedimentarias que contienen litio
Depósitos en rocas sedimentarias representan el 8 por ciento de los recursos
mundiales de litio conocidas y se encuentran en depósitos de arcilla y en rocas
evaporitas lacustres.
Depósitos de arcilla
En los depósitos de arcilla, el litio forma parte de la estructura cristalina, se
encuentra en el mineral esmectita. El tipo más común de esmectita es hectorita
(Na03(Mg,Li)3Si4O10(F,OH)2 ), que es rico en magnesio y litio. Recibe su nombre
de un depósito que contiene 0.7 por ciento de litio que se encuentra en Héctor,
California.
Kings Valley, Nevada alberga otro depósito de hectorita con un estimado de 48.1
millones de ton., como recursos indicados y 42.3 millones de Ton., de recursos
inferidos con una ley de 0.27 por ciento de litio.
14
Asimismo, el litio en las arcillas puede resultar también por el enriquecimiento
secundario, por efecto del movimiento de aguas termales subterráneas.
Evaporitas lacustres
La forma más conocida de un depósito lacustre que contiene litio se encuentra en
el valle de Jadar en Serbia, en donde se encuentra el mineral jadarita, (compuesto
por sodio, litio, boro, silicio, hidrógeno y oxígeno). Este depósito propiedad del
gigante minero Rio Tinto, al parecer contiene un recurso inferido de 125.3 millones
de Ton. de jadarita que contiene óxido de 1.8 por ciento. El proyecto se encuentra
actualmente en la etapa de exploración, pero la compañía cree que el yacimiento
"es una de las fuentes más grandes de litio desarrolladas en el mundo, con el
potencial de suministrar más del 20 por ciento de la demanda de litio.
15
Posteriormente, la salmuera concentrada de litio es transportada por camiones a
las plantas de procesamiento, donde es sometida a procesos de purificación y
precipitación a modo de obtener carbonato de litio, con una pureza cercana al
99,5%, aunque el mercado exige un mínimo de 99,1%, que puede comercializarse
en cristales o se compacta para ser vendido en forma de gránulos. El carbonato
de litio puede ser la materia prima para la producción de hidróxido de litio o bien
de cloruro de litio de alta pureza que se emplea en la obtención de litio metálico
por electrólisis de sales fundidas. Se muestran, a continuación, los procesos y
reacciones químicas que se generan para la obtención de carbonato de litio,
utilizando como ejemplo la salmuera del salar de Atacama en Chile.
16
Asimismo, se muestran en los siguientes diagramas de flujo, los procesos de
obtención del cloruro de litio y de litio metálico, a partir del carbonato de litio.
Fuente: Laskowski,J. Última edición. Polonia: Elsevier.
17
II.
Proceso Productivo
La industria del Litio en Chile, 2000; Universidad de Antofagasta, Chile.
Si bien es cierto el litio se encuentra presente tanto en pegmatitas, salmueras,
pozos petrolíferos, campos geotérmicos, arcillas e incluso en los océanos, en la
actualidad solo 2 procesos de obtención han demostrado ser económicamente
factibles: mediante salmueras y pegmatitas.
II.1
Principales Usos
En la actualidad, la utilización de los productos derivados del litio es diversos, por
lo que podemos agruparlos en las siguientes:
18
•
Industria del Aluminio
El metal aluminio se obtiene a partir de la electrolisis de la Alúmina (Al203)
fundida en un baño de composición variable de 2 a 8% de Alúmina, 5 a 7% de
Fluoruro de Aluminio, 5 a 7% de Fluoruro de Calcio y 80 a 85% de Criolita
(NaF·AIF 3 ). Al baño se le adiciona un 3,5% en peso de Li2CO3 en gránulos
con respecto al peso del electrolito, lo cual permite los siguientes beneficios:
⁃
Disminuye el punto de fusión del baño, así como la viscosidad.
La industria del Litio en Chile, 2000: Universidad de Antofagasta, Chile.
⁃
Aumenta la conductividad eléctrica del electrolito fundido.
Estos cambios permiten trabajar con una temperatura de operación más baja,
lo cual reduce el consumo de energía y aumentar la eficiencia de la
corriente eléctrica y, por ende, aumenta la productividad. Además de los efectos
mencionados, el litio permite reducir los consumos de ánodos de carbón y de
criolita y reduce entre un 20% a 30% la emisión de flúor al ambiente, bajando la
contaminación.
19
En la industria aereo-espacial de varios países, se ha considerado el uso de
las aleaciones Al-Li, en piezas tanto del ala y fuselaje, para diferentes
tipos de aviones. La utilización de este material, permite reducir
significativamente el peso de los aviones en más del 10%, por otra parte,
aleaciones con un 2% a 3% en litio,resultan atractivas para esta industria a
causa de su reducida densidad y mayor resistencia a la corrosión,
comparándola con las aleaciones tradicionales de aluminio. A pesar de las
ventajas comparativas, estas aleaciones no se han incorporado al mercado en
gran escala como se pensó en un inicio. En la construcción de aviones, estas
aleaciones compiten con los compuestos de boro, grafito y fibras poliméricas.
La empresa Mc Cook Metals LLC, produjo una aleación Al-Li, para el
reemplazo de ciertas piezas críticas que están sometidas a tensión, como, por
ejemplo, remaches y pernos, para sus aviones F-16.
Otra gran utilidad en la industria aeronáutica, es el incorporar esta aleación en
un nuevo diseño de tanques de combustibles, los que son utilizados
principalmente en los puentes aereos. Su ventaja radica en ser ultra-liviano,
adicionando un 4% Cu, 1% Li, 0.4% Ag, 0.4% Mg y la diferencia en Al. Esta
aleación es 30% mas dura y 5% menos densa que la aleación de aluminio
previamente usada. El rediseño del tanque de combustible pesa
20
aproximadamente 3,400 Kg menos que el diseño original, la diferencia se utilizó
para aumentar la capacidad de carga útil.
•
Industria del Vidrio y de Cerámica
El óxido de litio es un aditivo importante en la industria del vidrio y la
cerámica. Su efecto es disminuir el punto de fusión y mejorar las propiedades
de escurrimiento del material fundido, reducir el coeficiente de expansión
térmica y de viscosidad del producto terminado. La fuente de Li2O más
utilizadas es el Li2CO3 y, además, los concentrados de minerales de litio.
En las piezas cerámicas resistentes al choque térmico “pirocerámicas”
(vajillas de loza, vidrio tipo Corning) se utilizan preferentemente concentrados
de minerales de litio con bajo contenido de hierro.
Otra aplicación importante la constituye la fabricación de tubos de televisión
monocromáticos y en colores. Hasta 1997, los minerales concentrados de
litio eran los preferentemente usados en la industria de vidrios y cerámicas,
hoy en día se utiliza el carbonato de litio, que ha llevado a la estabilización de
su precio; además de eliminar, de esta forma, la utilización de compuestos
más tóxicos.
21
•
Sistema de Aire Acondicionado y Control de Humedad
El Bromuro de Litio y el Cloruro de Litio en forma de salmueras, se usan en
sistemas industriales de acondicionamiento y deshumidificación del aire,
aprovechando que ambos compuestos tienen propiedades altamente
higroscópicas que le permiten absorber la humedad del aire.
•
Grasas y Lubricantes
Las grasas a base de jabones de litio (fabricados a partir de hidróxido de litio)
denominadas grasas multipropósito, conservan sus propiedades lubricantes en
un amplio rango de temperatura (bajo 0 hasta 200ºC) poseen muy buena
resistencia al agua y a la oxidación, por estas cualidades son utilizadas en
todo tipo de transportes, tanto industriales, militares, automotriz, aéreos y
también en aplicaciones marinas. Representan alrededor de un 60% de todos
los lubricantes producidos en los Estados Unidos y en la mayoría de los países
industrializados.
22
•
Caucho Sintético
En la fabricación de elastómeros sintéticos intervienen compuestos órganoLitio, como catalizadores de polimerización de plásticos, como el polietileno. El
litio es utilizado en esta aplicación en forma de Butil - Litio.
Este compuesto órgano-metálico es un catalizador específico en la
polimerización iónica del isopreno, estireno y butadieno, para la obtención de
cauchos especiales empleados en la manufactura de neumáticos de alta
duración, y con gran resistencia a la abrasión. El N-butil-litio reacciona con el
estireno y butadieno, formando una goma sintética que no requiere
vulcanización.
23
•
Pilas de Litio
La utilización de litio metálico (99.9% pureza) como ánodos en baterías
primarias (pilas), ha tenido un rápido crecimiento en los últimos años, aunque el
consumo es relativamente bajo por las pequeñas cantidades requeridas.
Las pilas de litio presentan varias ventajas con respecto a las pilas tradicionales:
Mayor densidad de energía por peso y volumen.
Mayor vida útil, entregando un voltaje, constante.
Menor peso.
Funcionamiento a alta capacidad y bajas temperaturas.
Mayor tiempo de almacenamiento.
Las baterías de litio no recargables se han usado ampliamente en relojes,
microcomputadoras, cámaras, juegos y aparatos electrónicos. Otra gran
aplicación es en la industria militar, puesto que el uso de baterías de oxihalide
de litio, fueron seleccionadas para el uso en misiles de defensa aéreas y otros
programas de los Estados Unidos. Este tipo de baterias presenta varias
ventajas, entre otras, su durabilidad, gran capacidad de potencia disponible y
seguridad de almacenamiento.
Otra area probada, es en la industria automotriz. En este caso una de las
ventajas de la utilización de baterías de litio es la no contaminación, ahorro de
combustible, durabilidad, etc. Nissan Motor Corp. USA, introdujo la primera
batería en 1998, presentando en la exposición Auto Show de Los Angeles, un
minibus para cuatro pasajeros, potenciado con baterías de Li-ión, desarrollado
conjuntamente con Sonny Corp.
24
•
Otras Aplicaciones
Se ha potencializado un gran mercado farmacológico, puesto que la
incorporación de litio metálico y algunos compuestos, se utilizan como
catalizadores en la producción de analgésicos, agentes anti colesterol,
antihistamínico, anticonceptivos, inductores del sueño, algunos tipos de
esteroides, tranquilizantes, vitamina A y otros productos. El carbonato de litio,
grado farmacológico, es utilizado en el tratamiento de la psicosis maníaca
depresiva.
II.1
Futuros Usos
Hay tres mercados potencialmente importantes para el litio, los cuales se
encuentran actualmente en etapa de desarrollo tecnológico.
⁃
Reactores de fusión nuclear.
⁃
Baterías secundarias (recargables)
⁃
Aleaciones de aluminio-litio
25
III. REACTORES DE FUSIÓN NUCLEAR
Una aplicación potencial del litio de grandes expectativas es en la producción de
energía eléctrica mediante la fusión nuclear controlada de Deuterio y Tritio. Por
ser escaso en la naturaleza, el tritio se obtiene irradiando el litio con neutrones. El
consumo de litio como combustible para generar tritio no es significativo, pero
podría ser un gran requerimiento al ser usado también como escudo contra
radiaciones y como medio de transferencia de calor (litio-líquido).
Estas aplicaciones están supeditadas al éxito de un programa de desarrollo de
reactores de fusión que impulsa el Departamento de Energía de los Estados
Unidos.
26
III.1
•
Función Del Litio En Reactor Nuclear
El reactor
El reactor es la instalación de la central nuclear en la que se inician, mantienen y
controlan las reacciones de fisión nuclear en cadena que producen la energía
térmica necesaria para la generación de energía eléctrica.
El reactor consta de una vasija de acero en cuyo interior se dispone un conjunto
de elementos de combustible nuclear siguiendo un cierto patrón geométrico. Los
núcleos de los átomos del combustible nuclear son impactados por neutrones, lo
que provoca su ruptura, dando lugar a la aparición de fragmentos conocidos
como productos de fisión y de más neutrones que, a su vez, impactarán de
nuevo sobre otros átomos de combustible.
En este proceso, conocido como reacción en cadena, se desprende gran
cantidad de energía térmica que se utiliza para la producción de vapor de agua.
En la mayoría de reactores, para facilitar el proceso de reacción en cadena es
necesaria, asimismo, la presencia dentro del reactor de un elemento moderador
de los neutrones que se producen en las reacciones de fisión. Esto se debe a
que estos neutrones tienen una elevada energía cinética y es conveniente
reducir su velocidad para facilitar nuevas reacciones en cadena, lo que se
consigue mediante choques elásticos de los neutrones con los átomos del
elemento que hace de moderador.
El moderador utilizado en las centrales españolas es el agua ligera. Por otro
lado, para controlar de manera segura las reacciones de fisión que tienen lugar
en el reactor nuclear existen mecanismos de accionamiento de una serie de
barras de control que contienen un material que absorbe los neutrones.
Estas barras de control se pueden insertar total o parcialmente dentro de la
vasija del reactor para impedir en mayor o menor medida que los neutrones
sigan encadenando sucesivas reacciones de fisión. En caso de ser necesario
detener todas las reacciones de fisión se insertan inmediatamente todas las
barras de control dando lugar a lo que se denomina parada automática, "disparo"
o “scram” del reactor.
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El reactor de una central nuclear está rodeado de un blindaje de hormigón que
intercepta las radiaciones ocasionadas en las radiaciones de fisión. Tanto el
reactor como los sistemas auxiliares mencionados anteriormente se disponen de
un edificio diseñado para limitar las emisiones de radiación en caso de accidente
y que se conoce como edificio de “contención”.
La energía producida por las reacciones de fisión será utilizada para generar el
vapor que alimenta la turbina de la central nuclear. Para ello, el agua circula a
través del núcleo del reactor aumentando su temperatura. Sin embargo, en
España existen dos tipos de centrales nucleares en operación cuya diferencia
fundamental estriba en si la generación de vapor tiene lugar dentro o fuera del
reactor:
•
En las centrales con Reactores de Agua a Presión (PWR según sus
siglas en inglés), el agua circula en estado líquido a través del reactor a
muy alta presión y su transformación en vapor se produce fuera del
mismo, en un intercambiador de calor exterior que se denomina
generador de vapor.
•
En las centrales con Reactores de Agua en Ebullición (BWR según sus
siglas en inglés), el vapor se produce directamente en el interior de la
vasija del reactor.
III.2
¿Qué es la fusión nuclear?
28
La fusión nuclear es la reacción que le permite obtener energía a las estrellas.
Es la unión de dos núcleos livianos (como deuterio y tritio) para formar un núcleo
más pesado (helio) y un neutrón, con cierta pérdida de masa. La masa que se
pierde es la que se transforma en energía.
Es cierto que para que esta reacción sea posible se debe alcanzar una
temperatura de millones de grados, pero la energía obtenida como resultado de
la fusión es más de siete veces la energía que se obtiene por la quema de
combustibles fósiles y puede ser más de diez veces la que se aporta para
generar el mismo proceso. La reacción de fusión tiene además otras ventajas:
no presenta riesgos de accidentes al no ser una reacción en cadena, y su único
residuo es helio, un gas inocuo para las personas y el ambiente, con valor para
la industria. Por todas estas razones, se sabe que la fusión nuclear tendrá un rol
importante en la segunda mitad de este siglo.
29
IV.2
LA ENERGÍA NUCLEAR
Esta energía se puede obtener de dos formas: fusión nuclear y fisión nuclear.
En la fusión nuclear, la energía se libera cuando los núcleos de los átomos se
combinan o se fusionan entre sí para formar un núcleo más grande. Así es como
el sol produce energía.
En la fisión nuclear, los núcleos se separan para formar núcleos más
pequeños, liberando energía. Las centrales nucleares utilizan la fisión nuclear
para producir electricidad.
Cuando se produce una de estas dos reacciones nucleares (la fisión nuclear o
la fusión nuclear) los átomos experimentan una ligera pérdida de masa. Esta
masa que se pierde se convierte en una gran cantidad de energía calorífica y de
radiación, como descubrió Albert Einstein con su famosa ecuación E=mc². La
energía calorífica producida se utiliza para producir vapor y generar electricidad.
Aunque la producción de energía eléctrica es la utilidad más habitual que se le
da a la energía nuclear, también se puede aplicar en muchos otros sectores,
como en aplicaciones médicas o medioambientales.
30
IV.1
Fisión nuclear
La fisión nuclear es la reacción en la que el núcleo de un átomo pesado, al capturar
un neutrón incidente, se divide en dos o más núcleos de átomos más ligeros,
llamados productos de fisión, emitiendo en el proceso neutrones, rayos gamma y
grandes cantidades de energía.
El núcleo que captura el neutrón incidente se vuelve inestable y, como
consecuencia, se produce su escisión en fragmentos más ligeros dando lugar a
una situación de mayor estabilidad. Además de estos productos, en la reacción de
fisión se producen varios neutrones que al incidir sobre otros núcleos fisionables
desencadenan más reacciones de fisión que a su vez generan más neutrones. Este
efecto multiplicador se conoce como reacción en cadena.
Para que se produzca una reacción de fisión en cadena es necesario que se
cumplan ciertas condiciones de geometría del material fisionable y se supere un
umbral determinado de cantidad del mismo, conocido como masa crítica. La fisión
puede llegar a producirse de forma espontánea, pero es necesaria la existencia de
un neutrón que incida con la energía adecuada.
31
IV.1
Fusión nuclear
La fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos núcleos de átomos ligeros, en
general el hidrógeno y sus isótopos (deuterio y tritio), se unen para formar otro núcleo
más pesado, generalmente liberando partículas en el proceso. Estas reacciones
pueden absorber o liberar energía, según si la masa de los núcleos es mayor o menor
que la del hierro, respectivamente. Un ejemplo de reacciones de fusión son las que
tienen lugar en el sol, en las que se produce la fusión de núcleos de hidrógeno para
formar helio, liberando en el proceso una gran cantidad de energía en forma de
radiación electromagnética, que alcanza la superficie terrestre y que percibimos como
luz y calor.
Para que tenga lugar una reacción de fusión, es necesario alcanzar altas cotas de
energía que permitan que los núcleos se aproximen a distancias muy cortas en las
que la fuerza de atracción nuclear supere las fuerzas de repulsión electrostática. Para
ello, se deben cumplir los siguientes requisitos:
➢
Para lograr la energía necesaria se pueden utilizar aceleradores de
partículas o recurrir al calentamiento a temperaturas muy elevadas. Esta última
solución se denomina fusión térmica y consiste en calentar los átomos hasta
lograr una masa gaseosa denominada plasma, compuesta por electrones libres
y átomos altamente ionizados.
32
➢
Asimismo, es necesario garantizar el confinamiento y control del plasma
a altas temperaturas en la cavidad de un reactor de fusión el tiempo necesario
para que se produzca la reacción.
➢
También es necesario lograr una densidad del plasma suficiente para
que los núcleos estén cerca unos de otros y puedan dar lugar a las reacciones
de fusión.
➢
Sin embargo, los confinamientos convencionales, como las paredes de
una vasija, no son factibles debido a las altas temperaturas. Por este motivo, se
encuentran en desarrollo dos métodos de confinamiento:
➢
Fusión por Confinamiento Inercial (FCI): Consiste en crear un medio tan
denso que las partículas no tengan casi ninguna posibilidad de escapar sin
chocar entre sí. Para ello se impacta una pequeña esfera compuesta por
deuterio y tritio por un haz de láser provocando su implosión. Así, se hace
cientos de veces más densa que en su estado sólido normal permitiendo que se
produzca la reacción de fusión. Actualmente hay reactores de investigación con
el objetivo de producir energía a través de este proceso.
➢
Fusión por Confinamiento Magnético (FCM): Las partículas
eléctricamente cargadas del plasma son atrapadas en un espacio reducido por la
acción de un campo magnético. El dispositivo más desarrollado tiene forma
toroidal y se denomina Tokamak.
33
IV.3
El confinamiento
Como ya dijimos, el combustible de la fusión es una mezcla de deuterio y tritio,
que a temperatura ambiente es un gas. Para posibilitar la unión entre ellos, se
debe favorecer la colisión entre sus núcleos, superando la repulsión natural entre
sí. Con ese fin, se aumenta su velocidad de choque al calentar el gas mezcla a
millones de grados. Esto se logra manteniendo una densidad suficiente de
partículas para que choquen con mucha frecuencia, por un cierto tiempo.
Hay dos tecnologías que se pueden emplear para confinar, o sea contener al
combustible. Una es el confinamiento magnético, donde las partículas del plasma
son contenidas en un espacio definido por acción de campos magnéticos.
Se obtiene así un dispositivo que tiene forma toroidal o de dona, denominado
tokamak.
El otro método es el confinamiento inercial, donde la mezcla gaseosa se calienta
por tiempos muy cortos, lo que equivale a comprimir el combustible en un espacio
muy pequeño. Antes de que el gas tenga tiempo de expandirse libremente, se
produce la reacción de fusión esperada. La radiación requerida para lograr este
confinamiento debe ser muy potente y se genera mediante láseres.
34
IV.4
Reactores de agua a presión (PWR)
En este tipo de centrales nucleares, el agua circula en estado líquido y a muy alta
presión por el llamado “circuito primario” por medio de unas bombas que la
impulsan a través del núcleo del reactor donde se calienta antes de dirigirse a los
generadores de vapor. La presión del circuito primario se mantiene gracias a un
elemento denominado “presionador” cuyo objetivo es evitar la formación de vapor
dentro de este circuito.
En estas instalaciones, las barras de control están situadas en la parte superior de
la vasija del reactor. En caso de ser necesaria la parada rápida del reactor, ésta
se produce por la inserción de las barras de control por acción de la gravedad, al
liberarse los mecanismos electromagnéticos de sujeción de las mismas.
El agua líquida a alta temperatura que sale de la vasija del reactor circula a través
de los tubos del circuito primario atravesando los generadores de vapor. Dentro
de los generadores de vapor, por el exterior de estos tubos circula el agua del
circuito secundario, de manera que el agua a alta temperatura del circuito primario
calienta el agua del circuito secundario hasta convertirla en vapor. Posteriormente,
el vapor se dirige por los tubos del circuito secundario a la turbina, donde se
expande haciéndola girar. El giro de la turbina se transmite al generador eléctrico,
35
que es el componente en el que se produce la electricidad, la cual se envía al
parque de transformación y, desde allí, a la red eléctrica exterior.
Como en cualquier central térmica, el vapor que sale de la turbina sigue estando
muy caliente, por lo que es necesario condensarlo para su retorno al ciclo de
agua/vapor. Esta condensación se hace gracias a un tercer circuito exterior de
refrigeración que utiliza un gran caudal de agua fría que circula por el interior de
los tubos del condensador. El agua fría que circula por los tubos del circuito de
refrigeración se calienta a su paso por el condensador y posteriormente se enfría
de nuevo mientras los tubos atraviesan lo que se conoce como “sumidero de
calor” de la central (río, pantano, mar o torres de refrigeración).
El vapor que se ha condenado al contacto con los tubos del condensador es
impulsado para ser precalentado antes de su envío de nuevo a los generadores
de vapor. La presión en el condensador es menor que la de los tubos del circuito
de refrigeración exterior que lo atraviesan, por lo que en caso de producirse una
fisura en los tubos sería el agua de dicho circuito la que se fugaría hacia el
condensador y no a la inversa, evitando así posibles escapes al medio ambiente.
36
IV.5
Reactores de agua en ebullición (BWR)
En este diseño de centrales, no existe un circuito secundario agua-vapor, sino
que es el mismo fluido refrigerante que circula por la vasija y el núcleo del
reactor el que se evapora a su paso por el núcleo. De esta manera, de la vasija
del reactor sale directamente el vapor que se dirige a la turbina. El
funcionamiento de la misma, así como el del alternador, el condensador y el del
sistema de agua de alimentación, es análogo al de una central PWR, aunque en
este caso el sistema impulsa el vapor condensado directamente hasta la vasija
del reactor.
La vasija del reactor dispone de unos lazos de recirculación exteriores que
permiten, mediante el uso combinado de bombas centrifugas y de chorro, la
regulación rápida del caudal del refrigerante/moderador y, por tanto, el control de
la potencia del reactor.
En este tipo de reactores, las barras de control están situadas en la parte inferior
de la vasija y se insertan en su interior desde abajo mediante un sistema
hidráulico que utiliza como fluido el propio refrigerante a alta presión.
37
V.
CENTRALES NUCLEARES EN EL MUNDO
El Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA) es la organización para
la cooperación en el campo nuclear. Desde su creación en 1957, la
organización trabaja con sus Estados miembros y socios en todo el mundo
para perseguir el uso seguro y pacífico de las tecnologías nucleares.
En la Conferencia Internacional Ministerial sobre Energía Nuclear en el siglo
XXI, impulsada por el OIEA en junio de 2013, se reconoció el papel de
liderazgo de este Organismo en el establecimiento de normas y directrices de
seguridad, y en la promoción de la cooperación y los esfuerzos para fortalecer
la seguridad nuclear mundial, la seguridad física y el control de las
salvaguardias.
Desde 1981, el OIEA publica anualmente “Nuclear Power Reactors in the
World”, que se encuentra disponible (Nuclear Power Reactors Operating
Worldwide) con la situación actualizada en cuanto al número de países que ya
operan centrales nucleares, cuantos están construyendo nuevas centrales o
completando construcciones suspendidas previamente, y cuantos están
considerando la opción de construir nuevas plantas o de completar los
proyectos de construcción en suspensión, así como el tipo de las centrales
nucleares. Igualmente se muestra la aportación de la energía nuclear a la
producción eléctrica por país (Nuclear Share of Electricity Generation
38
Worldwide) y se incluyen las proyecciones realizadas sobre la capacidad de
producción de energía eléctrica por medio de energía nuclear.
V.1
Tipos de instalaciones nucleares
Se consideran instalaciones nucleares:
1) Las centrales nucleares, es decir, instalaciones fijas cuya función principal es
la producción de energía mediante un reactor nuclear.
2) Los reactores nucleares, son las estructuras que permiten la disposición del
combustible nuclear de tal modo que dentro de ellos pueda tener lugar un
proceso auto mantenido de fisión nuclear, sin necesidad de una fuente
adicional de neutrones.
3) Las fábricas que utilizan sustancias nucleares para producir combustibles
nucleares u otras fábricas de tratamiento de sustancias nucleares, como las
instalaciones de tratamiento o reprocesado de combustibles nucleares
irradiados.
4) Las instalaciones de almacenamiento de sustancias nucleares, excepto los
lugares en que dichas sustancias se almacenen incidentalmente durante su
transporte.
5) Los dispositivos e instalaciones que utilicen reacciones nucleares de fusión
o fisión para producir energía o con vistas a la producción o desarrollo de
nuevas fuentes energéticas.
El Ministerio de Industria puede determinar si se considera como una sola instalación
nuclear a varias instalaciones nucleares de un solo explotador que estén emplazadas
en el mismo lugar.
39
V.2
El proyecto ITER
busca demostrar la viabilidad de la fusión como fuente de energía a gran escala
La instalación de este proyecto se encuentra en Cadarache, al sur de Francia, y
cuenta con la colaboración de 35 países para construir el Tokamak más grande
del mundo, un dispositivo de fusión magnética diseñado para demostrar la
viabilidad de la fusión como fuente de energía a gran escala y libre de emisiones
de carbono, basándose en el mismo principio por el cual el sol y las estrellas
generan su energía.
Este proyecto experimental es de crucial importancia para el avance de la fusión
nuclear y para preparar el camino para las centrales comerciales de fusión.
ITER será el primer dispositivo de fusión que conseguirá una ganancia neta de
energía (es decir, se produce más energía que la absorbida por el
funcionamiento del sistema), así como el primer dispositivo que mantendrá la
fusión durante periodos largos de tiempo. También será el primero en poner a
prueba las tecnologías integradas, materiales y física necesarios para la
producción comercial de la electricidad de fusión.
40
Proyecto ITER (Imagen © ITER.org)
V.
¿Qué podrá hacer ITER?
La cantidad de energía que puede producir un Tokamak es el resultado directo del
número de reacciones de fusión que se producen en su núcleo. Los científicos
saben que cuanto más grande es la vasija en la que se contiene, mayor es el
volumen del plasma, y por lo tanto mayor será el potencial de la energía de fusión.
El Tokamak de ITER tiene un volumen de plasma diez veces superior al dispositivo
en funcionamiento más grande actualmente. Será una herramienta experimental
única, diseñada específicamente para:
41
Desarrollar una potencia de 500 MW
El récord mundial de energía de fusión actualmente corresponde al Tokamak
europeo JET. En 1997, JET produjo 16 MW de energía de fusión. ITER está
diseñado para producir 500 MW. ITER no transforma toda la energía que produce
en electricidad, pero al ser el primer proyecto de fusión que produce energía de
ganancia neta prepara el camino para diseñar una máquina que sea capaz de
hacerlo.
Demostrar la operación integrada de tecnologías para una central de fusión
ITER acortará la distancia entre los dispositivos experimentales de fusión de más
pequeña escala actuales y las centrales de energía de fusión de demostración del
futuro. Los científicos podrán estudiar plasmas en condiciones similares a las que
se esperan de una central nuclear futura y probar aspectos tales como
calentamiento, control, diagnóstico, criogenia y mantenimiento remoto.
Conseguir plasma de deuterio y tritio donde la reacción sea prolongada mediante
calentamiento interno
Hoy en día, la investigación de fusión se encuentra a las puertas de conseguir
"plasma en combustión", donde el calor de la reacción de fusión está confinado
dentro del plasma de manera que se pueda prolongar la reacción durante un plazo
42
amplio. Los científicos confían en que los plasmas de ITER no solo producirán
mucha más energía de fusión, sino que se mantendrán estables durante periodos
más largos.
Hacer pruebas para la producción de tritio
Una de las misiones de las últimas etapas de la operación ITER será demostrar la
viabilidad de producir tritio dentro de la vasija en vacío. El suministro mundial de
tritio (que se utiliza con el deuterio para producir la reacción de fusión) no basta
para cubrir las necesidades de las centrales nucleares del futuro. ITER aportará
una oportunidad única para hacer pruebas de simulación de producción de tritio.
Demostrar la seguridad de las características de un dispositivo de fusión
ITER alcanzó un hito importante en la historia de la fusión en 2014, cuando obtuvo
licencia como operador nuclear en Francia tras un riguroso examen de sus
procedimientos de seguridad. Uno de los objetivos principales de la operación de
ITER es demostrar el que se pueden controlar el plasma y las reacciones de fusión
sin consecuencias para el medio ambiente.
VI.
RESERVAS
Las Reservas
Es importante aclarar que los datos sobre reserva son dinámicos y se modifican
conforme la factibilidad de la extracción se confirma o no y en función de las inve
rsiones que realizan las empresas en exploración y las necesidades del negocio,
entre otras variables.
43
En tal sentido, las reservas deben ser consideradas un inventario en progreso. A
efectos de realizar una cuantificación de la cantidad existente de litio en el mund
o y cuál es el lugar que ocupa Argentina como posible proveedor del mineral, es
necesario diferenciar y clarificar dos conceptos básicos:
▪
Recurso
Concentración natural del mineral que puede encontrarse en estado sólido, lí
quido, o gaseoso, en o sobre la corteza de la Tierra en tal forma y cantidad q
ue su extracción económica es actualmente o potencialmente factible.
▪
Reserva
Es la parte del recurso que se encuentra en condiciones técnicas y económic
as de ser extraídas. Las reservas de mineral “litio” se encuentran dispersas
en el mundo y puede extraerse de diferentes fuentes, incluso el agua de mar
. Estas reservas son calculadas como “litio metálico”. Debido al bajo costo de
la extracción del litio de salmueras y a la creciente demanda mundial, en los
últimos años se ha incentivado la entrada de nuevos capitales para el desarr
ollo de proyectos de extracción de litio de salmueras. Según el Servicio Geol
ógico de Estados Unidos, de los 38,44 millones de TN que existen en el plan
eta, Bolivia posee 10,7, Chile 10,3 y Argentina 4,5. Es decir entre los tres el
66%.
BIBLIOGRAFÍA
➢ Dana H. (1959) Manual de Mineralogía (2ª ed.) México: Reverté S.A.
➢ La industria del Litio en Chile, 2000; Universidad de Antofagasta, Chile
➢ Laskowski,J. Última edición. Polonia: Elsev
➢ Infografía sobre el proyecto ITER
➢ Página web del Comisariado de Energía Atómica (CEA) sobre fusión
magnética en francés
➢ «Lithium - Element information, properties and uses | Periodic
Table». www.rsc.org. Consultado el 25 de junio de 2021.
➢ ↑ Rivas N, Cristian (24 de diciembre de 2009 al 28 de enero de 2010). «El litio
de la discordia». Capital. Archivado desde el original el 9 de junio de 2012.
Consultado el 19 de junio de 2012.
➢ ↑ Barreno, Jorge (7 de marzo de 2012). «La guerra del litio en Chile». El
Mundo (Unidad Editorial). Consultado el 19 de junio de 2012.
44
➢ ↑ Susana María Timón Sánchez (27 de noviembre de 2021). «Oro blanco en
España: dónde hay litio y por qué no hay minas activas». The Objective.
Consultado el 8 de septiembre de 2022. «Desde 2011 no hay ninguna
explotación activa para la extracción de litio en España. »
➢
EVENTOS NUCLEARES Y SUS CONSECUENCIAS por el instituto Borden...
"aproximadamente el 82% de la energía de fisión se libera como energía cinética de
los dos grandes fragmentos de fisión. Estos fragmentos, al ser partículas masivas y
altamente cargadas', interactúan fácilmente con la materia. Transfieren su energía
rápidamente a los materiales circundantes del arma, que se calientan rápidamente"
➢ ↑ «Visión general de la ingeniería nuclear Las diferentes energías emitidas por evento
de fisión pg 4. "167 MeV" se emite por medio de la energía electrostática repulsiva
entre los 2 núcleos hijos, que toma la forma de la "energía cinética" de los productos
de fisión, esta energía cinética da lugar a los efectos de explosión y térmicos
posteriores. Se liberan "5 MeV" en radiación gamma inmediata o inicial, "5 MeV" en
radiación neutrónica inmediata (99,36% del total), "7 MeV" en energía neutrónica
retardada (0. 64%) y "13 MeV" en desintegración beta y desintegración gamma
(radiación residual)». Universidad Técnica de Viena. Archivado desde el original el 15
de mayo de 2018. Consultado el 29 de mayo de 2021.
45