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23-24 ENERGÍA NUCLEAR CICLO SUPERIOR DE FORMACIÓN PROFESIONAL XOSE MANUEL LOPEZ GALLEGO TÉCNICO SUPERIOR EN PREVENCIÓN DE RIESGOS PROFESIONALES CPRI FP...

23-24 ENERGÍA NUCLEAR CICLO SUPERIOR DE FORMACIÓN PROFESIONAL XOSE MANUEL LOPEZ GALLEGO TÉCNICO SUPERIOR EN PREVENCIÓN DE RIESGOS PROFESIONALES CPRI FP Fundación Laboral de la Construcción SISTEMAS DE ENERGÍAS RENOVABLES 23-24 2 ORÍGENES E HISTORIA DE LA ENERGÍA NUCLEAR 2.1 ORÍGENES Y DESCUBRIMIENTO DEL NÚCLEO ATÓMICO: La energía nuclear tiene sus raíces en el descubrimiento de los procesos nucleares y la comprensión de la física atómica a principios del siglo XX.: Ernest Rutherford Niels Bohr James Chadwick Ilustración 1Actores en el descubrimiento de la energía atómica El descubrimiento del núcleo atómico fue un hito importante en el desarrollo de la física moderna. A principios del siglo XX, Ernest Rutherford llevó a cabo una serie de experimentos para investigar la estructura del átomo. En uno de estos experimentos, Rutherford bombardeó láminas delgadas de oro con partículas alfa (núcleos de helio) y observó cómo estas partículas interactuaban con la materia. Basándose en los resultados de sus experimentos, Rutherford propuso un nuevo modelo del átomo en 1911 (modelo nuclear de Rutherford). En este modelo, el átomo estaba compuesto principalmente por espacio vacío, con un pequeño núcleo denso y cargado positivamente en el centro, rodeado por electrones girando a su alrededor en órbitas. Ilustración 2 Evolución de los modelos atómicos (Fuente: modeloatomicode.com) En 1919, Ernest Rutherford y sus colaboradores identificaron la existencia de una partícula subatómica cargada positivamente en el núcleo del átomo, a la que llamaron protón. Este descubrimiento confirmó la existencia de un núcleo atómico cargado positivamente. En 1913, Niels Bohr desarrolló un modelo del átomo (modelo de Bohr) que combinaba las ideas del modelo nuclear de Rutherford con la teoría cuántica emergente. Según el modelo de Bohr, los electrones se encuentran en órbitas cuantizadas alrededor del núcleo, y solo pueden ocupar ciertos niveles de energía específicos. 1 En 1932, James Chadwick descubrió una nueva partícula subatómica neutra en el núcleo del átomo, a la que llamó neutrón. Este descubrimiento ayudó a explicar la estabilidad de los núcleos atómicos y condujo al desarrollo de la teoría nuclear moderna. 2.2 DESCUBRIMIENTO DE LA FISIÓN NUCLEAR: Ilustración 3 Otto Han (Fuente: http://scihi.org/) Ilustración 4 Fritz Strassmann (Fuente: uni-hannover.de) En 1938, Otto Hahn y Fritz Strassmann descubrieron la fisión nuclear, un proceso en el cual los núcleos atómicos pesados se dividen en fragmentos más ligeros al ser bombardeados con neutrones. Este descubrimiento sentó las bases para el desarrollo de la energía nuclear. 2.2.1 Desarrollo de las primeras reactores nucleares: En la década de 1940, durante la Segunda Guerra Mundial, científicos como Enrico Fermi y Leo Szilard construyeron los primeros reactores nucleares con el objetivo de producir plutonio para armas nucleares. El reactor de Chicago Pile-1, construido en 1942, fue el primer reactor nuclear controlado del mundo. Ilustración 5 Enrico Fermi (Fuente: www.ornl.gov) Ilustración 6 Leo Slizar (Fuente: willdunnwebsite.weebly.com) 2.2.2 Desarrollo de la Energía Nuclear para Fines Civiles: Después de la Segunda Guerra Mundial, se comenzó a explorar el uso de la energía nuclear para fines pacíficos, como la generación de electricidad. En 1951, se encendió el primer reactor nuclear de potencia eléctrica en Idaho, Estados Unidos. 2.2.3 Expansión de la Energía Nuclear: En las décadas de 1960 y 1970, se construyeron numerosas centrales nucleares en todo el mundo para satisfacer la creciente demanda de energía. La energía nuclear se consideraba una fuente de energía limpia y segura, aunque surgieron preocupaciones sobre la seguridad y la gestión de los desechos nucleares. 2 2.2.4 Accidentes Nucleares: A lo largo de la historia, se han producido varios accidentes nucleares importantes, como el accidente de Three Mile Island en Estados Unidos en 1979, el desastre de Chernóbil en Ucrania en 1986 y el accidente de Fukushima en Japón en 2011. Estos accidentes destacaron los riesgos asociados con la energía nuclear y llevaron a un mayor escrutinio de la seguridad nuclear. 2.2.5 Desarrollos Recientes: En las últimas décadas, ha habido avances significativos en tecnologías nucleares, incluidos reactores avanzados como reactores de generación IV, reactores de alta temperatura y reactores modulares pequeños. Estos desarrollos tienen como objetivo mejorar la seguridad, la eficiencia y la sostenibilidad de la energía nuclear. 2.3 HISTORIA DE LA ENERGÍA NUCLEAR EN LA UNIÓN EUROPEA La historia de la energía nuclear en la Unión Europea (UE) está marcada por una serie de desarrollos significativos en la investigación, la regulación y la implementación de tecnologías nucleares. 2.3.1 Investigación Nuclear y Cooperación Internacional 2.3.1.1 Comienzos de la Investigación Nuclear Después de la Segunda Guerra Mundial, varios países europeos, incluidos Francia, el Reino Unido y Alemania, iniciaron programas de investigación nuclear para explorar el potencial de la energía nuclear con fines pacíficos y militares. En la década de 1950, se construyeron las primeras centrales nucleares en Europa para generar electricidad a gran escala. Francia fue pionera en este campo, con la construcción de la primera central nuclear comercial en 1956 en Marcoule. En la década de 1950, se estableció la Comunidad Europea del Carbón y del Acero (CECA), que sentó las bases para la cooperación en el campo de la energía nuclear entre los países miembros. Esta cooperación se amplió más tarde con la creación de la Comunidad Europea de la Energía Atómica (EURATOM) en 1957. La investigación nuclear ha sido una prioridad para la Unión Europea desde sus inicios. La creación de la Comunidad Europea de la Energía Atómica (EURATOM) en 1957 fue un hito importante que facilitó la colaboración entre los países miembros en el desarrollo de tecnologías nucleares. Esta cooperación ha permitido el intercambio de conocimientos, la financiación conjunta de proyectos de investigación y el establecimiento de estándares comunes en el campo de la energía nuclear. 2.3.1.2 Desarrollo de la Industria Nuclear La Unión Europea ha sido un líder mundial en el desarrollo de la industria nuclear, con países como Francia, Alemania y el Reino Unido desempeñando roles destacados en la construcción y operación de centrales nucleares. Estos países han desarrollado tecnologías avanzadas de reactores nucleares y han exportado su experiencia a nivel internacional. En las décadas de 1960 y 1970, la energía nuclear experimentó un rápido crecimiento en Europa, con la construcción de numerosas centrales nucleares en varios países miembros de la UE. Estas centrales nucleares desempeñaron un papel importante en la diversificación de las fuentes de energía y en la reducción de la dependencia de los combustibles fósiles. En las últimas décadas, se han llevado a cabo investigaciones y desarrollos en el campo de los reactores nucleares avanzados en varios países de la UE. Esto incluye el desarrollo de reactores de cuarta generación, reactores modulares pequeños y tecnologías de reciclaje de combustible. 2.3.1.3 Regulación y Seguridad Nuclear La seguridad nuclear siempre ha sido una preocupación importante en la Unión Europea. Se han establecido normativas y regulaciones estrictas para garantizar la seguridad de las instalaciones nucleares y proteger al público y al medio ambiente. La Agencia Europea de Energía Nuclear (ENEA) desempeña un papel clave en la supervisión y el cumplimiento de estas regulaciones en toda la UE. A lo largo de su historia, la energía nuclear en la UE ha enfrentado desafíos relacionados con la seguridad, la gestión de los desechos nucleares y las preocupaciones ambientales. Estos desafíos han llevado a una mayor atención a la seguridad nuclear, la regulación y la investigación en tecnologías nucleares más seguras y sostenibles. 3  2.3.1.4 Gestión de Residuos Nucleares La gestión de los desechos nucleares es otro aspecto importante de la política nuclear de la Unión Europea. Se han implementado programas de gestión de residuos nucleares a largo plazo para garantizar su almacenamiento seguro y su eliminación adecuada. Esto incluye el desarrollo de tecnologías de almacenamiento geológico profundo y el fomento de la investigación en métodos de transmutación de desechos nucleares. 2.3.1.5 Participación en Proyectos Internacionales La Unión Europea participa activamente en proyectos internacionales relacionados con la energía nuclear, como el Proyecto Internacional de Reactores Termonucleares Experimentales (ITER), que tiene como objetivo desarrollar la fusión nuclear como una fuente de energía limpia y sostenible. La colaboración internacional es fundamental para abordar los desafíos y aprovechar las oportunidades en el campo de la energía nuclear. 2.4 HISTORIA DE LA ENERGÍA NUCLEAR EN ESPAÑA La investigación nuclear en España comenzó en la década de 1950 con la creación del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Comisión de Energía Nuclear (CEN). Estas instituciones sentaron las bases para el desarrollo de la industria nuclear en el país. En la década de 1960, España comenzó a construir sus primeras centrales nucleares para satisfacer la creciente demanda de energía. La primera central nuclear en entrar en operación fue la de Zorita en 1968, seguida por la de Vandellós I en 1971. 2.4.1 Programa Nuclear Expansivo A partir de la década de 1960, España comenzó a explorar la energía nuclear como una alternativa para satisfacer la creciente demanda energética del país. En 1968, se puso en funcionamiento la primera central nuclear en España, conocida como Zorita. Ubicada en la provincia de Guadalajara, Zorita fue pionera en la producción de energía nuclear en el país. Durante los años siguientes, España experimentó un rápido crecimiento en la construcción de centrales nucleares. Esto incluyó la puesta en marcha de Vandellós I en 1971 y la construcción de varias otras centrales en diferentes regiones del país. Durante las décadas de 1970 y 1980, España experimentó un rápido crecimiento en su programa nuclear, con la construcción de varias centrales nucleares en todo el país. En total, se construyeron ocho centrales nucleares en España, que en su momento representaban una parte significativa de la generación de electricidad del país. La construcción de centrales nucleares requirió una inversión significativa en infraestructura, incluyendo la construcción de plantas de energía, sistemas de refrigeración, y la implementación de medidas de seguridad y control. Año de Año de Puesta en Año Previsto de Potencia de Central Nuclear Construcción Funcionamiento Cierre Producción José Cabrera (Zorita) 1964 1968 2006 160 MW Santa María de Garoña 1966 1971 2024 466 MW Vandellos I 1972 1985 2010 480 MW Almaraz I 1973 1981 2027 1000 MW Cofrentes 1973 1984 2023 1114 MW Ascó I 1974 1984 2027 1006 MW Vandellós II 1975 1987 2020 1046 MW Almaraz II 1976 1983 2028 1000 MW Ascó II 1976 1986 2028 1009 MW Trillo 1979 1988 2035 1066 MW Ilustración 7 Centrales nucleares en España Las centrales nucleares se convirtieron en una parte importante de la generación de electricidad en España, proporcionando una fuente de energía confiable y estable para satisfacer las necesidades de la industria y los hogares. La construcción de centrales nucleares impulsó innovaciones en tecnología nuclear en España, incluyendo mejoras en la seguridad, eficiencia y gestión de residuos nucleares, pero a pesar de sus beneficios, la construcción de centrales 4 nucleares también enfrentó desafíos y controversias, incluyendo preocupaciones sobre la seguridad, el impacto ambiental y la gestión de residuos nucleares. El legado de la construcción de centrales nucleares en España ha dejado una marca en la infraestructura energética del país, influyendo en políticas energéticas y en la percepción pública de la energía nuclear. 2.4.2 Accidente de Vandellós I El 19 de octubre de 1989, la central nuclear de Vandellós I, ubicada en la provincia de Tarragona, sufrió un grave accidente que resultó en su cierre permanente. El accidente ocurrió durante una operación de recarga de combustible, cuando una fuga de agua pesada causó un incendio en la sala de turbinas de la central. La fuga de agua pesada provocó daños significativos en el sistema de refrigeración de emergencia y en otros sistemas de seguridad de la central. A pesar de los esfuerzos por controlar el incendio y evitar la propagación de la radiación, el accidente resultó en la liberación de material radiactivo al medio ambiente. El accidente de Vandellós I tuvo graves repercusiones en términos de seguridad nuclear y generó preocupaciones sobre la gestión de la central y los protocolos de seguridad. Como resultado, se decidió el cierre definitivo de la central y se llevaron a cabo investigaciones exhaustivas para determinar las causas del accidente y las lecciones que se podían aprender. El accidente de Vandellós I destacó la importancia de la seguridad nuclear y llevó a una revisión de los estándares de seguridad en las centrales nucleares en España y en todo el mundo. Además, sirvió como recordatorio de los riesgos asociados con la energía nuclear y la necesidad de implementar medidas rigurosas de seguridad y control en todas las etapas de la operación de una central nuclear. 2.4.3 Moratoria Nuclear Tras el accidente de Vandellós I y en respuesta a las preocupaciones públicas sobre la seguridad nuclear, el gobierno español implementó una moratoria nuclear en 1984, que prohibía la construcción de nuevas centrales nucleares en el país. Con esta acción daba respuesta a preocupaciones públicas y presiones políticas relacionadas con la seguridad y el futuro de la energía nuclear en el país. La decisión de establecer la moratoria nuclear se tomó en un contexto de creciente conciencia sobre los riesgos asociados con la energía nuclear, exacerbados por eventos como el accidente en la central nuclear de Three Mile Island en Estados Unidos en 1979 y el desastre de Chernóbil en 1986. Entre las principales preocupaciones que condujeron a la moratoria se encontraban la seguridad de las centrales nucleares existentes, la gestión de los residuos radiactivos y el riesgo de accidentes nucleares. Además, hubo un aumento en la oposición pública a la energía nuclear y un llamado a explorar alternativas más seguras y sostenibles. La moratoria nuclear tuvo un impacto significativo en el desarrollo futuro de la energía nuclear en España, influyendo en la política energética del país y en la inversión en otras fuentes de energía, como las renovables. Si bien se levantó parcialmente en años posteriores para permitir la operación y renovación de algunas centrales nucleares existentes, la moratoria marcó un punto de inflexión en la percepción y la regulación de la energía nuclear en España. 2.4.4 Desarrollo de Energías Renovables En las últimas décadas, España ha diversificado su matriz energética y ha apostado por el desarrollo de energías renovables, como la eólica y la solar. Esto ha llevado a una reducción en la participación de la energía nuclear en la producción de electricidad en el país. El desarrollo de las energías renovables en España ha tenido un impacto significativo en la participación de la energía nuclear en el mix energético del país. A medida que se han implementado y desarrollado tecnologías renovables como la energía eólica y solar, ha habido un cambio gradual en la contribución relativa de la energía nuclear a la producción total de energía que ha dado lugar enre otros a los siguoentes efectos: 1. Reducción de la Dependencia de la Energía Nuclear El crecimiento acelerado de las energías renovables ha llevado a una disminución proporcional en la dependencia de la energía nuclear para la generación de electricidad. Las fuentes de energía renovable, especialmente la eólica y la solar, han aumentado su participación en el mix energético, proporcionando una alternativa más limpia y sostenible a la energía nuclear. 5  2. Competitividad Económica El desarrollo tecnológico y la reducción de costos en las energías renovables han mejorado su competitividad económica en comparación con la energía nuclear. Esto ha llevado a una mayor inversión en proyectos de energías renovables y a una menor inversión en nuevas plantas nucleares, lo que ha contribuido a un cambio en la estructura del mix energético. 3. Apoyo Político y Regulatorio La política energética y el marco regulatorio en España han respaldado activamente el desarrollo de las energías renovables, promoviendo su integración en el sistema eléctrico y estableciendo objetivos ambiciosos para su expansión. Este enfoque ha impulsado la transición hacia una matriz energética más diversificada y sostenible, reduciendo la dependencia de fuentes de energía más tradicionales como la nuclear. 6 3 CENTRALES NUCLEARES Las centrales nucleares son instalaciones diseñadas para generar electricidad a partir de la energía liberada durante procesos nucleares, como la fisión o la fusión nuclear. Estas centrales constan de varias partes clave que trabajan en conjunto para producir energía de manera segura y eficiente. 3.1 PARTES DE LAS CENTRALES NUCLEARES Y FUNCIONAMIENTO Básicamente, una central nuclear está compuesta por las siguientes partes o sistemas destinados a la producción de energía eléctrica: Reactor Nuclear Es el corazón de la central, donde tiene lugar la fisión nuclear. Aquí, el combustible nuclear, como el uranio, se divide en elementos más ligeros, liberando una gran cantidad de energía. Generador de Vapor Este componente convierte el calor producido por el reactor en vapor de agua de alta presión. Turbina El vapor generado hace girar las aspas de una turbina, generando así energía mecánica. Generador Eléctrico La energía mecánica se convierte en electricidad mediante un generador eléctrico. El proceso comienza en el reactor nuclear, donde los átomos de combustible se dividen en dos o más fragmentos, liberando una gran cantidad de energía en forma de calor. Este calor se utiliza para calentar agua y producir vapor, que impulsa una turbina conectada a un generador eléctrico. La electricidad generada se distribuye luego a través de una red de transmisión para su uso en hogares, empresas y otras instalaciones. 3.2 TIPOS DE CENTRALES NUCLEARES 3.2.1 Centrales de Fisión Nuclear Una central nuclear de fisión es una instalación diseñada para generar energía eléctrica a partir del proceso de fisión nuclear. En este tipo de centrales, se utiliza un combustible nuclear, como el uranio-235 o el plutonio-239, que es bombardeado por neutrones, lo que provoca la división o fisión de los núcleos atómicos de los átomos de combustible. Ilustración 8 Representación en 3d de los componentes de una central nuclear de fisión 7 Durante la fisión nuclear, se liberan grandes cantidades de energía en forma de calor, así como neutrones adicionales que pueden continuar el proceso de fisión en otros átomos de combustible. Este calor se utiliza para calentar agua y producir vapor, que a su vez impulsa turbinas conectadas a generadores eléctricos, generando así electricidad de manera similar a una central térmica convencional. Las centrales nucleares de fisión suelen emplear reactores de agua presurizada (PWR) o reactores de agua en ebullición (BWR) para controlar y moderar el proceso de fisión, utilizando el agua como refrigerante y moderador de neutrones. Además, estas centrales están equipadas con sistemas de seguridad y contención para garantizar la operación segura y confiable de la planta, así como para prevenir y mitigar posibles accidentes nucleares. 3.2.2 Centrales de Fusión Nuclear Una central nuclear de fusión es una instalación diseñada para generar energía eléctrica mediante el proceso de fusión nuclear. En este tipo de centrales, se busca reproducir las condiciones que se encuentran en el núcleo del Sol y otras estrellas, donde los núcleos de átomos ligeros se fusionan para formar núcleos más pesados, liberando enormes cantidades de energía en el proceso. La fusión nuclear implica la unión de núcleos atómicos ligeros, como los de hidrógeno isotópico deuterio y tritio, para formar un núcleo más pesado, liberando energía en forma de radiación y partículas. Este proceso requiere condiciones extremas de temperatura y presión para superar la repulsión electrostática entre los núcleos y permitir que se fusionen. En una central nuclear de fusión, se utiliza un dispositivo llamado tokamak o reactor de fusión, que confina y controla un plasma de hidrógeno a altas temperaturas mediante campos magnéticos. Cuando se alcanzan las condiciones adecuadas, se inicia la fusión nuclear en el plasma, liberando energía en forma de calor que puede convertirse en electricidad a través de un ciclo termodinámico similar al de una central térmica convencional. 8 4 FISIÓN NUCLEAR La fisión nuclear es el proceso en el que un núcleo atómico pesado, como el uranio-235 o el , se divide en dos o más núcleos más ligeros cuando es bombardeado con neutrones. Este proceso libera una gran cantidad de energía en forma de calor y radiación. En un reactor nuclear, este calor se utiliza para generar vapor, que luego impulsa una turbina conectada a un generador eléctrico, produciendo electricidad. Ilustración 9 Modelo de reacción de fisión 4.1 COMBUSTIBLES UTILIZADOS EN LA FISIÓN NUCLEAR En la energía nuclear, los combustibles son los materiales que se utilizan para alimentar la reacción de fisión nuclear en los reactores nucleares. Los principales tipos de combustibles utilizados son el uranio y el plutonio. 4.1.1 Uranio El uranio es el combustible más comúnmente utilizado en los reactores nucleares. Se encuentra en la naturaleza en forma de isótopos, pero el isótopo más importante para la energía nuclear es el uranio-235 (235U). Este isótopo es fisible, lo que significa que puede ser dividido por neutrones en una reacción de fisión nuclear. El uranio-235 (235U) es el único isótopo natural fisible, es decir, el único isótopo presente en la naturaleza con capacidad para provocar una reacción en cadena de fisión nuclear. Es una característica que ni siquiera el uranio- 238, el más común de este elemento, posee. Fue descubierto en 1935 por Arthur Jeffrey Dempster. Presenta un período de semidesintegración de unos 700 millones de años. El uranio natural contiene principalmente uranio-238 (238U), que no es fisible, junto con una pequeña cantidad de 235U (aproximadamente el 0.7%). Para utilizar el uranio como combustible en un reactor nuclear, se debe enriquecer el uranio, aumentando la proporción de 235U. El uranio enriquecido se utiliza en forma de pellets de dióxido de uranio (UO2), que se colocan dentro de varillas de combustible. Estas varillas se insertan en el núcleo del reactor nuclear, donde la fisión nuclear libera energía en forma de calor. 4.1.1.1 Enriquecimiento del uranio Para utilizar el uranio como combustible en los reactores nucleares, es necesario aumentar la proporción de 235U en el uranio, un proceso conocido como enriquecimiento. El método más comúnmente utilizado para enriquecer el uranio es el proceso de centrifugación gaseosa. Aquí hay un resumen simplificado del proceso: 9  Conversion: El uranio natural se convierte en hexafluoruro de uranio (UF6), que es un compuesto gaseoso. Este paso facilita el proceso de enriquecimiento, ya que el UF6 es más fácil de manipular y procesar que el uranio sólido. Conversión de Uranio a Hexafluoruro de Uranio (UF6) Extracción del Uranio: El primer paso para obtener el hexafluoruro de uranio es extraer el uranio de las minas donde se encuentra en la naturaleza. El uranio extraído se procesa para obtener un material que se pueda utilizar en la fabricación de combustible nuclear. Molienda y Purificación: El uranio extraído se muele hasta convertirse en un polvo fino. Luego, se purifica para eliminar impurezas que podrían interferir con el proceso de conversión posterior. Reacción con Ácido Sulfúrico: El uranio purificado se mezcla con ácido sulfúrico para formar una solución. Esta solución se calienta, lo que hace que el uranio reaccione con el ácido sulfúrico para formar dióxido de uranio (UO2). Esta es una etapa importante para preparar el uranio para la siguiente etapa de conversión. Conversión a UF6: El dióxido de uranio (UO2) se convierte en hexafluoruro de uranio (UF6) mediante un proceso químico conocido como fluoración. En este proceso, el UO2 se combina con fluoruro para formar UF6. Esta reacción ocurre en un ambiente controlado para garantizar la seguridad y la pureza del producto final. Purificación del UF6: El UF6 producido puede contener pequeñas cantidades de impurezas, por lo que se somete a procesos de purificación para eliminar estas impurezas y garantizar que el UF6 sea lo más puro posible. Almacenamiento y Transporte: Una vez purificado, el UF6 se almacena en cilindros de acero especiales diseñados para su transporte y almacenamiento seguro. Estos cilindros están sellados herméticamente para evitar fugas de UF6 y se manejan con cuidado debido a su naturaleza corrosiva y radiactiva. Centrifugación: El UF6 se introduce en centrífugas, que son dispositivos cilíndricos que giran a alta velocidad. Debido a que los isótopos de uranio tienen ligeramente diferentes masas, el U-235 tiende a concentrarse un poco más en el centro de la centrífuga, mientras que el U-238 se concentra un poco más en el borde. Separación: Después de un tiempo de centrifugación, el UF6 enriquecido en U-235 se extrae del centro de la centrífuga, mientras que el UF6 empobrecido en U-235 se extrae del borde. Este proceso se repite en múltiples etapas de centrifugación para aumentar gradualmente la proporción de U-235 en el UF6. Recuperación: El UF6 enriquecido en U-235 se convierte nuevamente en uranio sólido, que luego se utiliza para fabricar las varillas de combustible que alimentan los reactores nucleares. Este proceso de enriquecimiento permite aumentar la proporción de U-235 en el uranio desde el nivel natural de aproximadamente 0.7% hasta niveles que son adecuados para su uso en reactores nucleares, que generalmente requieren uranio enriquecido al menos al 3-5% de U-235, dependiendo del diseño del reactor. El enriquecimiento de uranio es un proceso crucial para obtener combustible nuclear adecuado para su uso en reactores nucleares, y el método de centrifugación gaseosa es uno de los métodos más comunes y eficientes para lograrlo. 4.1.1.2 Origen del Uranio Uranio sin Enriquecer: El uranio sin enriquecer se extrae de yacimientos minerales en varios países alrededor del mundo. Algunos de los principales productores de uranio incluyen Kazajistán, Canadá, Australia, Namibia y Uzbekistán. Este uranio se procesa y refinado antes de ser utilizado como combustible en los reactores nucleares. Uranio Enriquecido: El uranio enriquecido se produce a través del proceso de enriquecimiento, que aumenta la proporción del isótopo fisible U-235 en el uranio. Las instalaciones de enriquecimiento están ubicadas en varios países, incluidos Estados Unidos, Rusia, Francia, China y otros. El uranio enriquecido se utiliza para fabricar el combustible nuclear utilizado en los reactores nucleares. 4.1.1.3 Precio del Uranio El precio del uranio puede variar dependiendo de factores como la oferta y la demanda en el mercado, los costos de extracción y procesamiento, y las políticas gubernamentales en los países productores. En general, el precio del uranio sin enriquecer se cotiza en el mercado de materias primas y puede fluctuar en función de las condiciones del mercado. A modo de referencia, el precio del uranio sin enriquecer en 2023 osciló entre 56 y 64 euros por kg de U3O8 (óxido de uranio), según los informes del mercado. 4.1.1.4 Cantidad Necesaria para una Planta de Energía Nuclear La cantidad de uranio necesaria para una planta de energía nuclear depende del diseño y la capacidad de la planta, así como del tipo de reactor utilizado. En general, se requiere una cantidad significativa de uranio enriquecido para alimentar un reactor nuclear durante un período de operación determinado. 10 Por ejemplo, para un reactor de agua ligera típico, se puede requerir aproximadamente entre 100 y 150 toneladas métricas de uranio enriquecido por año para mantener la operación continua de la planta y generar electricidad. 4.1.2 Plutonio El plutonio es otro combustible utilizado en la energía nuclear, especialmente en reactores de ciclo de combustible cerrado y en armas nucleares. El plutonio-239 (239Pu) es un isótopo fisible del plutonio que se produce artificialmente a partir del uranio-238 en un reactor nuclear mediante la captura de neutrones. Este isótopo es el principalmente usado en la producción de armas nucleares. Aunque el uranio-235 también se ha utilizado, es actualmente considerado un isótopo secundario. El 239Pu es también uno de los tres principales isótopos utilizados como combustible en reactores nucleares, junto con el uranio- 235 y el uranio-233. La bomba atómica "Fat Man" que se utilizó para bombardear Nagasaki tenía un núcleo de plutonio- 239. El 239Pu tiene un periodo de semidesintegración de 24.200 años. El plutonio-239 también se utiliza en forma de óxido de plutonio (PuO2) dentro de varillas de combustible, de manera similar al uranio enriquecido. 4.1.2.1 Origen del Plutonio El plutonio es un elemento sintético que se produce principalmente en reactores nucleares como subproducto de la fisión del uranio-235. El uranio-238 se convierte en plutonio-239 (239Pu)mediante la captura de neutrones en un reactor nuclear. Este plutonio puede extraerse del combustible nuclear gastado y ser reciclado para su reutilización como combustible en reactores nucleares. 4.1.2.2 Precio del Plutonio El precio del plutonio no se cotiza públicamente en el mercado como el uranio. Sin embargo, su costo está vinculado a los procesos de reciclaje y producción en las instalaciones nucleares. El plutonio reciclado de combustible gastado puede ser significativamente más barato que el plutonio producido a partir de materiales nucleares nuevos. 4.1.2.3 Cantidad Necesaria para una Planta de Energía Nuclear Al igual que con el uranio, la cantidad de plutonio necesaria para una planta de energía nuclear depende del diseño y la capacidad de la planta, así como del tipo de reactor utilizado. Sin embargo, dado que el plutonio es más eficiente en la producción de energía que el uranio, se necesita menos cantidad para lograr el mismo rendimiento energético en un reactor nuclear. Por ejemplo, en un reactor de agua ligera modificado para utilizar combustible mixto de uranio y plutonio, se puede requerir una cantidad sustancialmente menor de plutonio en comparación con el uranio enriquecido para mantener la operación continua de la planta y generar electricidad. 4.1.3 Comparación entre el uranio y el plutonio Abundancia: El uranio es más abundante en la naturaleza que el plutonio. Fisibilidad: Tanto el U-235 como el Pu-239 son fisionables, pero la fisión del plutonio tiende a producir más neutrones que pueden ser absorbidos por otros núcleos, lo que lo hace útil para el arranque y el mantenimiento de reacciones en cadena. Ciclo de Combustible: El uranio se utiliza en el ciclo del combustible nuclear en los reactores de agua ligera, mientras que el plutonio se utiliza principalmente en reactores de ciclo cerrado, donde se puede reutilizar y reciclar El uranio y el plutonio son los principales combustibles utilizados en la energía nuclear. Cada uno tiene sus propias características y aplicaciones, pero ambos desempeñan un papel crucial en la generación de energía a partir de la fisión nuclear. 4.2 TECNOLOGÍA DE REACTORES NUCLEARES Y ELECCIÓN DEL COMBUSTIBLE Los reactores nucleares son dispositivos diseñados para mantener y controlar reacciones nucleares en cadena, aprovechando la energía liberada durante el proceso de fisión nuclear. La elección del tipo de reactor nuclear afecta directamente al tipo de combustible que puede utilizarse y a su procesamiento. 11 4.2.1 Tipos de Reactores Nucleares 4.2.1.1 Reactores de Agua Ligera (LWR) Los reactores de agua ligera (LWR) son los tipos más comunes de reactores nucleares en el mundo. Estos reactores utilizan agua común, tanto como moderador (que ralentiza los neutrones) como refrigerante (que extrae el calor producido por la fisión nuclear). Hay dos tipos principales de LWR: reactores de agua presurizada (PWR) y reactores de agua en ebullición (BWR). 4.2.1.1.1 Principio de Funcionamiento: En un reactor de agua ligera, el combustible nuclear, que generalmente es uranio enriquecido, se coloca en varillas dentro del núcleo del reactor. Cuando los átomos de uranio se dividen en un proceso llamado fisión nuclear, liberan una gran cantidad de calor y neutrones. El agua en el reactor actúa como refrigerante, absorbiendo este calor y llevándolo a través del sistema de refrigeración para generar vapor. El vapor generado impulsa turbinas conectadas a generadores eléctricos para producir electricidad. Después de pasar por las turbinas, el vapor se enfría y se convierte nuevamente en agua, que luego se recicla de nuevo en el ciclo. 4.2.1.1.2 Uso de Combustible: Los reactores de agua ligera son los más comunes en el mundo y utilizan principalmente uranio enriquecido como combustible. El uranio enriquecido se fabrica en forma de pellets de dióxido de uranio (UO2) que se colocan dentro de varillas de combustible. 4.2.1.1.3 Impacto en la Elección del Combustible: Los LWRs están diseñados para utilizar uranio enriquecido alrededor del 3-5% de U-235. El diseño del reactor y su sistema de refrigeración influyen en la eficiencia y la seguridad del uso del combustible. 4.2.1.1.4 Aplicaciones Prácticas: Los reactores de agua ligera se utilizan para generar electricidad en centrales nucleares en todo el mundo. También pueden utilizarse para la producción de agua caliente para aplicaciones industriales y de calefacción. 4.2.1.1.5 Consideraciones de Seguridad: Los LWRs están diseñados con sistemas de seguridad redundantes y protocolos de emergencia para garantizar la seguridad de la planta y prevenir la liberación de radiación al medio ambiente. 4.2.1.2 Reactores de Agua Pesada (PHWR) Los reactores de agua pesada (PHWR), también conocidos como reactores de moderador y refrigerante de agua pesada, son un tipo de reactor nuclear que utiliza agua pesada (óxido de deuterio) tanto como moderador (que ralentiza los neutrones) como refrigerante (que extrae el calor producido por la fisión nuclear). 4.2.1.2.1 Principio de Funcionamiento: En un reactor de agua pesada, el combustible nuclear, generalmente uranio natural o ligeramente enriquecido, se coloca en varillas dentro del núcleo del reactor. Cuando los átomos de uranio se dividen en un proceso llamado fisión nuclear, liberan una gran cantidad de calor y neutrones. El agua pesada en el reactor actúa como moderador, ralentizando estos neutrones para mantener la reacción en cadena. El calor generado se transfiere al agua pesada, que circula a través del sistema de refrigeración del reactor, llevando el calor a través de intercambiadores de calor para generar vapor. El vapor generado impulsa turbinas conectadas a generadores eléctricos para producir electricidad. 4.2.1.2.2 Uso de Combustible: Los PHWRs pueden utilizar uranio natural sin enriquecer, lo que reduce la necesidad de procesos costosos de enriquecimiento de uranio. 4.2.1.2.3 Eficiencia Energética: Los PHWRs pueden operar de manera eficiente utilizando uranio natural como combustible, lo que los hace económicamente atractivos en regiones con acceso limitado a uranio enriquecido. 4.2.1.2.4 Aplicaciones Prácticas: Los reactores de agua pesada se utilizan para generar electricidad en centrales nucleares en todo el mundo. También pueden utilizarse para la producción de agua caliente para aplicaciones industriales y de calefacción. 12 4.2.1.2.5 Consideraciones de Seguridad: Los PHWRs están diseñados con sistemas de seguridad redundantes y protocolos de emergencia para garantizar la seguridad de la planta y prevenir la liberación de radiación al medio ambiente. 4.2.1.3 Reactores Rápidos de Flujo de Metal (SFR) Los reactores rápidos de flujo de metal (SFR) son un tipo de reactor nuclear que utiliza metales líquidos como refrigerante primario, como sodio o plomo, y uranio y/o plutonio como combustible. Estos reactores se caracterizan por su capacidad para mantener una reacción en cadena rápida, utilizando neutrones rápidos en lugar de neutrones térmicos. 4.2.1.3.1 Principio de Funcionamiento: En un reactor SFR, el combustible nuclear, que generalmente es una combinación de uranio y plutonio, se encuentra en forma de óxidos o metales dentro del núcleo del reactor. El refrigerante primario, que suele ser sodio líquido, fluye a través del núcleo del reactor, transfiriendo el calor generado por la fisión nuclear hacia un intercambiador de calor. El calor transferido al intercambiador de calor se utiliza para generar vapor, que luego impulsa turbinas conectadas a generadores eléctricos para producir electricidad. Debido a que los neutrones no se ralentizan en el refrigerante como en otros tipos de reactores, los SFRs pueden utilizar un espectro rápido de neutrones, lo que permite la posibilidad de reciclar combustible nuclear y reducir los desechos radiactivos. 4.2.1.3.2 Uso de Combustible: Los SFRs utilizan combustible de óxido mixto que contiene uranio y plutonio, a menudo enriquecido en U-235 para facilitar la arrancada de la reacción en cadena. 4.2.1.3.3 Eficiencia Energética: Debido a su capacidad para utilizar neutrones rápidos, los SFRs pueden aprovechar más eficientemente el combustible nuclear y generar menos desechos radiactivos en comparación con otros tipos de reactores. 4.2.1.3.4 Reciclaje de Combustible: Los SFRs son particularmente adecuados para el reciclaje de combustible nuclear, pueden aprovechar combustibles mixtos que incluyen plutonio reciclado de combustible gastado, lo que los convierte en una opción para el reciclaje de plutonio y la reducción de los desechos nucleares. 4.2.1.3.5 Aplicaciones Prácticas: Los reactores rápidos de flujo de metal se utilizan principalmente para la investigación y el desarrollo de tecnologías avanzadas de energía nuclear. También pueden utilizarse para la generación de electricidad en aplicaciones comerciales y militares. 4.2.1.3.6 Consideraciones de Seguridad: Los SFRs están diseñados con sistemas de seguridad redundantes y protocolos de emergencia para garantizar la seguridad de la planta y prevenir la liberación de radiación al medio ambiente. El uso de metales líquidos como refrigerante presenta desafíos adicionales en términos de gestión de seguridad y riesgos asociados. 4.2.2 Impacto en la Elección del Combustible: Factores a Considerar en su elección 4.2.2.1 Seguridad Algunos tipos de combustible pueden ofrecer ventajas en términos de seguridad y estabilidad durante la operación del reactor. 4.2.2.2 Disponibilidad y costes La disponibilidad y el costo del combustible, incluidos los procesos de enriquecimiento y reciclaje, pueden influir en la elección del tipo de combustible. 4.2.2.3 Eficiencia Energética Algunos tipos de combustible pueden ser más eficientes en la producción de energía y en la gestión de los desechos nucleares. 4.2.2.4 Capacidad de Reciclaje La capacidad de reciclar y reutilizar el combustible gastado puede ser un factor importante en la elección del combustible, especialmente en términos de reducción de desechos nucleares y seguridad a largo plazo. 13  4.2.3 Gestión de Residuos Nucleares La gestión de residuos nucleares es un aspecto crucial de la industria nuclear que aborda la seguridad y el impacto ambiental de los desechos radiactivos producidos por las actividades nucleares. A continuación se presentan los principales aspectos a considerar en la gestión de residuos nucleares: 4.2.3.1.1 Clasificación de Residuos: Los residuos nucleares se clasifican en función de su actividad radiactiva, su vida útil y su nivel de peligrosidad. Los residuos de alta actividad, como los combustibles gastados y los productos de fisión, son los más peligrosos y requieren medidas especiales de manejo y almacenamiento. 4.2.3.1.2 Almacenamiento Temporal: En muchos países, los residuos nucleares se almacenan temporalmente en instalaciones de almacenamiento intermedio en espera de una solución a largo plazo. Estas instalaciones pueden incluir piscinas de almacenamiento en las propias centrales nucleares o instalaciones de almacenamiento centralizado. 4.2.3.1.3 Almacenamiento Geológico Profundo: Una opción a largo plazo para la gestión de residuos nucleares de alta actividad es el almacenamiento geológico profundo. Esta técnica implica el enterramiento de los residuos en formaciones geológicas estables y profundas, como depósitos de sal o roca sólida, donde se espera que permanezcan aislados de la biosfera durante miles de años. 4.2.3.1.4 Transmutación de Residuos Nucleares: La transmutación es un proceso que convierte los residuos nucleares de larga vida en productos menos radiactivos o estables. Esto se puede lograr mediante la irradiación de los residuos con neutrones en reactores especiales, como los reactores de subcríticos o aceleradores de partículas. La transmutación tiene como objetivo reducir la toxicidad y el tiempo de vida de los residuos nucleares. Ilustración 10 Residuos radiactivos 4.2.3.1.5 Investigación y Desarrollo Tecnológico: La investigación y el desarrollo continúan en el campo de la gestión de residuos nucleares para mejorar las técnicas de almacenamiento, transporte y tratamiento de los residuos nucleares. Esto incluye el desarrollo de materiales de contención avanzados, métodos de monitoreo y tecnologías de transmutación. 4.2.3.1.6 Regulación y Supervisión: La gestión de residuos nucleares está sujeta a estrictas regulaciones y normativas para garantizar la protección de la salud humana y el medio ambiente. Las autoridades reguladoras supervisan las actividades nucleares y establecen estándares para el manejo seguro de los residuos nucleares. 14 5 FUSIÓN NUCLEAR 5.1 ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN: HISTORIA La búsqueda de la energía nuclear de fusión como una fuente de energía viable comenzó a mediados del siglo XX, impulsada por la promesa de una fuente de energía limpia, abundante y sostenible. A lo largo de las décadas, se han alcanzado varios hitos importantes en el desarrollo de esta tecnología. Ilustración 11 Modelo de reacción de fusión 5.1.1 Década de 1950: Primeros Experimentos En la década de 1950, los científicos comenzaron a realizar experimentos con reactores de fusión en laboratorios y universidades de todo el mundo. Se lograron los primeros confinamientos de plasma y se sentaron las bases teóricas para el desarrollo de la fusión nuclear como fuente de energía. 5.1.2 Década de 1970: Proyectos de Investigación En la década de 1970, se iniciaron varios proyectos de investigación a gran escala en países como Estados Unidos, la Unión Soviética y Europa. Se construyeron los primeros tokamaks, dispositivos diseñados para confinar y controlar el plasma a altas temperaturas y densidades necesarias para la fusión nuclear. 5.1.3 Década de 1990: Proyecto ITER En 1985, se propuso el Proyecto ITER (Reactor Termonuclear Experimental Internacional) como un esfuerzo internacional para diseñar, construir y operar un reactor de fusión a gran escala. En la década de 1990, se estableció formalmente el proyecto con la participación de Estados Unidos, la Unión Soviética, la Unión Europea y otros países. 5.1.4 Siglo XXI: Avances Tecnológicos En el siglo XXI, se han logrado importantes avances en la tecnología de fusión nuclear, incluido el desarrollo de superconductores de alta temperatura, materiales de revestimiento avanzados y sistemas de control de plasma más sofisticados. Estos avances han acercado la realización del primer reactor de fusión comercialmente viable. 5.1.5 Futuro: Perspectivas y Desafíos Aunque se han logrado avances significativos, la energía nuclear de fusión todavía enfrenta desafíos importantes, incluida la construcción de reactores comerciales rentables, la gestión del plasma a altas temperaturas y la producción sostenida de energía. Sin embargo, muchos científicos e ingenieros creen que la fusión nuclear tiene el potencial de proporcionar una fuente de energía limpia y abundante en el futuro. 15 5.2 EL PROYECTO ITER Ilustración 12 esquema del principio de la central nuclear de fusión del futuro (Fuente: ITER). 5.2.1 Descripción El Proyecto ITER (Reactor Termonuclear Experimental Internacional) es un esfuerzo colaborativo a nivel mundial para diseñar, construir y operar el primer reactor de fusión nuclear a gran escala. El objetivo principal del ITER es demostrar la viabilidad técnica y la posibilidad de generar energía de fusión de manera controlada y sostenida. En el sur de Francia, específicamente en Cadarache, se lleva a cabo un proyecto de gran relevancia para el futuro energético mundial. En colaboración con 35 países, se está construyendo el Tokamak más grande del mundo, que consiste en un dispositivo que utiliza la fusión magnética para generar energía, imitando el proceso que ocurre en el sol y otras estrellas. Su objetivo es demostrar que la fusión nuclear puede ser una fuente de energía limpia y abundante. Este proyecto, llamado ITER, es crucial para el avance de la fusión nuclear, pues allana el camino para la creación de futuras centrales de energía de fusión. ITER será el primer dispositivo en lograr una ganancia neta de energía, es decir, producirá más energía de la que consume. Además, será capaz de mantener la fusión durante largos períodos de tiempo, lo que es un hito importante en este campo. También será el primer dispositivo en probar tecnologías, materiales y conceptos físicos necesarios para la generación comercial de electricidad a partir de la fusión nuclear. 5.2.2 Participación de Países: El Proyecto ITER cuenta con la participación de siete socios principales: la Unión Europea (representada por EURATOM), Estados Unidos, Rusia, China, Japón, Corea del Sur e India. Cada uno de estos socios contribuye con financiamiento, experiencia técnica y recursos humanos para el desarrollo del proyecto. 5.2.3 Evolución en el Tiempo: Inicio del Proyecto (1985): La idea del ITER se propuso por primera vez en 1985 como una colaboración internacional para avanzar en la investigación de la fusión nuclear. Establecimiento Formal (1990s): En la década de 1990, se estableció formalmente el proyecto y se iniciaron los primeros estudios de diseño y viabilidad. Construcción del Reactor (2000s): En 2006, se inició la construcción del ITER en Cadarache, Francia, con la excavación del sitio y la preparación de la infraestructura. Montaje y Construcción (2010s): Durante la década de 2010, se llevaron a cabo trabajos de montaje y construcción de las estructuras principales del reactor, incluido el tokamak y los sistemas auxiliares. 16 Fase Actual (2020s): En la actualidad, el proyecto se encuentra en una fase avanzada de construcción, con la instalación de equipos y componentes clave en el sitio de Cadarache. Ilustración 13 Reactor nuclear Tokamak (Fuente: TechWorldHoliday) 5.2.1 Avances y Dificultades: 5.2.1.1 Avances El Proyecto ITER ha logrado importantes avances tecnológicos en áreas como la fabricación de superconductores, el control de plasma y la ingeniería de materiales. Estos avances han acercado al proyecto a su objetivo final de producir energía de fusión de manera controlada. 5.2.1.2 Dificultades: Sin embargo, el proyecto también ha enfrentado desafíos significativos, como retrasos en la construcción, problemas de financiamiento y desafíos técnicos en la gestión y control del plasma a altas temperaturas y densidades. Ilustración 14 Reactor nuclear STELLATOR (Fuente: ONRL) 17 6 RESUMEN La energía nuclear se basa en dos procesos principales: la fisión nuclear y la fusión nuclear. FISIÓN NUCLEAR: La fisión nuclear es el proceso en el que un núcleo atómico pesado se divide en dos o más núcleos más ligeros, liberando una gran cantidad de energía en forma de calor y radiación. Este proceso es fundamental en la tecnología de los reactores nucleares para generar electricidad. Fusión nuclear Fisión Nuclear Imágenes extraidas de Wikipedia FUSIÓN NUCLEAR: La fusión nuclear, por otro lado, es el proceso en el que dos núcleos atómicos ligeros se combinan para formar un núcleo más pesado. Este proceso también libera una enorme cantidad de energía. Sin embargo, la fusión nuclear aún no se ha desarrollado completamente para la producción de energía en la Tierra, ya que requiere temperaturas y presiones extremadamente altas que son difíciles de mantener y controlar. GENERACIÓN DE ENERGÍA EN REACTORES NUCLEARES: Los reactores nucleares son instalaciones diseñadas para controlar y aprovechar la fisión nuclear para generar electricidad. Estos reactores contienen barras de combustible, generalmente de uranio enriquecido, que se colocan en un núcleo donde tiene lugar la fisión nuclear. El calor generado por la fisión se utiliza para calentar agua y producir vapor, que luego impulsa turbinas conectadas a generadores eléctricos. ASPECTOS POSITIVOS Y BENEFICIOS DE LA ENERGÍA NUCLEAR: Producción de grandes cantidades de energía de forma continua y confiable sin emitir gases de efecto invernadero. Reducción de la dependencia de los combustibles fósiles, lo que ayuda a mitigar el cambio climático. Bajos costos operativos una vez que los reactores están en funcionamiento. ASPECTOS NEGATIVOS Y DESAFÍOS DE LA ENERGÍA NUCLEAR: Riesgos de seguridad, como fugas radiactivas o accidentes graves. Gestión de residuos nucleares altamente radiactivos, que requieren almacenamiento seguro a largo plazo. Altos costos de construcción y preocupaciones sobre la proliferación nuclear. Comparado con otras fuentes de energía, la energía nuclear es más constante que las energías renovables como la solar o la eólica, ya que no depende de las condiciones climáticas. Sin embargo, los riesgos asociados con la energía nuclear y la gestión de los residuos nucleares la hacen menos favorable en términos de aceptación pública y sostenibilidad a largo plazo. 18 ENERGÍA NUCLEAR DE FISIÓN: Definición: Las centrales nucleares de fisión utilizan el proceso de fisión nuclear para generar energía eléctrica. Durante la fisión nuclear, los núcleos de átomos pesados, como el uranio-235 o el plutonio-239, se dividen en fragmentos más ligeros, liberando una gran cantidad de energía en forma de calor. Historia: El desarrollo de la energía nuclear de fisión comenzó en la década de 1950, con avances significativos en la década de 1970. Desde entonces, se han construido y operado centrales nucleares en todo el mundo, proporcionando una fuente de energía estable y confiable. Combustible: El uranio enriquecido o el plutonio se utilizan como combustible en las centrales nucleares de fisión. Estos elementos se someten a un proceso de enriquecimiento para aumentar la concentración de isótopos fisionables. Reactores: Las centrales nucleares de fisión pueden utilizar diferentes tipos de reactores, como reactores de agua presurizada (PWR) o reactores de agua en ebullición (BWR), que utilizan agua como refrigerante y moderador de neutrones. Seguridad: Las centrales nucleares de fisión están equipadas con múltiples sistemas de seguridad y contención para prevenir y mitigar posibles accidentes nucleares, como la liberación no controlada de material radiactivo. ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN: Definición: La energía nuclear de fusión implica la fusión de núcleos atómicos ligeros, como el deuterio y el tritio, para liberar energía. Este proceso es similar al que ocurre en el Sol y otras estrellas, donde se generan enormes cantidades de energía mediante la fusión de núcleos de hidrógeno. Historia: La investigación sobre la energía nuclear de fusión comenzó en la década de 1950, con proyectos de investigación a gran escala en la década de 1970. Desde entonces, se han llevado a cabo numerosos experimentos y proyectos para desarrollar reactores de fusión comercialmente viables. Reactores: Los reactores de fusión utilizan dispositivos como tokamaks o reactores de confinamiento inercial para generar y controlar el plasma a altas temperaturas y densidades necesarias para la fusión nuclear. Combustible: Los principales combustibles para la fusión nuclear son el deuterio y el tritio, isotopos del hidrógeno que se encuentran en abundancia en el agua y el litio. Desafíos: Aunque se han logrado avances significativos, la energía nuclear de fusión todavía enfrenta desafíos técnicos y de ingeniería, como la gestión del plasma a altas temperaturas y la producción sostenida de energía. PROYECTO ITER: Descripción: El Proyecto ITER es una colaboración internacional para construir el primer reactor de fusión nuclear a gran escala. Su objetivo es demostrar la viabilidad técnica y económica de la fusión nuclear como una fuente de energía limpia y sostenible. 19  Participantes: El proyecto cuenta con la participación de siete socios principales: la Unión Europea, Estados Unidos, Rusia, China, Japón, Corea del Sur e India, que contribuyen con financiamiento, experiencia técnica y recursos humanos. Evolución: Propuesto en 1985, el proyecto se estableció formalmente en la década de 1990 y la construcción del reactor comenzó en 2006. En la actualidad, el proyecto se encuentra en una fase avanzada de construcción en el sitio de Cadarache, Francia. Avances y Dificultades: El Proyecto ITER ha logrado importantes avances tecnológicos en áreas como superconductores, control de plasma y materiales. Sin embargo, también ha enfrentado desafíos como retrasos en la construcción, problemas de financiamiento y dificultades técnicas. 20 GEOTERMIA Fue utilizada con fines caloríficos y curativos desde hace siglos (termas romanas, baños turcos, balnearios medicinales), sin embargo, de entre las demás energías renovables es la mas desconocida, aunque con enorme potencial de aprovechamiento. A diferencia de lo que sucede con otras energías renovables, la geotermia no tiene su origen directo en la radiación del solar, sino en la diferencia de temperatura existente entre el interior y la corteza de la tierra. Con el estado actual de la tecnología, se han desarrollado dos grandes grupos de aplicaciones: Usos térmicos y eléctricos. Entre los primeros se destaca nuevamente la existencia de balnearios o piscinas climatizadas de una manera natural; aplicaciones para producción de ACS y apoyo a la calefacción, multitud de usos del sector agrícola (invernaderos), etc. Y respecto a lo segundo, la geotermia se viene utilizando desde el siglo xx gracias a la técnica de vapor seco, centrales de ciclo binario, agua de alta temperatura y yacimientos de rocas secas calientes. Conforme apuntan los expertos del sector la cantidad de energía producida directamente, como la ahorrada debido a la geotermia, generan en un futuro cercano un concepto nuevo denominado GEOVATIO. Se estima que, el conveniente apoyo de las administraciones, la geotermia podrá competir en igualdad de condiciones no solo con las energías convencionales basadas en combustibles fósiles, sino también con otras energías renovables. 7.1 ORIGEN DE LA ENERGIA GEOTERMICA. Hace aproximadamente 4500 millones de años no era mas que una inmensa esfera incandescente formada fundamentalmente por polvos cósmicos y gases a muy altas temperaturas. Conforme esa bola fue perdiendo calor, fue disminuyendo su temperatura de manera muy significativa hasta formarse hace 3800 millones de años una corteza externa de cierta dureza, que dejo encerada en su interior una todavía ingente cantidad de energía térmica que hoy perdura. Todos los procesos geodinámicos que se presentan en la tierra como pueden ser formación de cordilleras, volcanes, terremotos y movimientos sísmicos se justifican en función de los mecanismos de transmisión del calor almacenado y producido en el interior del planeta hacia su corteza. Así ese calor es responsable de la teoría técnica de las placas que involucra a la litosfera y a la astenosfera, de los movimientos de convección de magma entre núcleo externo y manto terrestre. Conforme a esa teoría todos los continentes que hoy conocemos estaban inicialmente unidos en uno solo llamado PANGEA, de manera que, debido a dicho calor interno, las masas continentales se fueron separando una distancia infinitesimal cada año, pero importante en escala geológica de tiempo. Ya los mineros en el siglo XVIII sabían que, en las minas en las que trabajaban el crecimiento de temperatura del subsuelo aumentaba paulatinamente con la profundidad a un ritmo cercano a 1ºC por cada 30m de bajada. ¿Qué significa geotermia? etimológicamente hablando, el vocablo encuentra su origen en el griego geos (tierra) y thermos (calor) “calor de la tierra”. Normalmente, se emplea tanto para indicar la parte de la ciencia que estudia fenómenos térmicos internos de nuestro planeta, como aquellos procesos que el ser humano ha desarrollado para sacar partido a ese calor y producir energía térmica o eléctrica con objetivos finales. Analizando los distintos estratos o capas en los cuales se puede subdividir la estructura interna terrestre. Corteza, es la parte mas conocida y se corresponde en la envoltura superficial del planeta. Su temperatura promedio oscila entre 12 – 20ºC en contacto con la atmosfera, hasta 1000ºC junto al manto. Su espesor oscila entre 6 – 20km en las profundidades marinas, y alcanza 30 – 70km bajo las masas continentales. En concreto, la litosfera es la unión de la corteza y la parte aun solida del manto, viéndose fragmentada en placas litosférica que se desplazan de manera infinitesimalmente lenta entre ellas, pudiendo generar grandes anomalías térmicas en los bordes. Manto, es la corona circular esférica de unos 3000km de grosor que envuelve el núcleo, llegando a alcanzar temperaturas comprendidas entre 1000 – 3000ºC. por esta razón permanece en estado semipastoso en su parte más céntrica y se torna progresivamente solido conforme se acerca a la corteza. Núcleo, esfera mas central del planeta, en estado liquido en la parte mas externa 5100km y solido en la mas interna 6371km. Su temperatura alcanza hasta los 4500ºC. ¿Cuál es el origen de ese calor interno tan descomunal? Calor primigenio, que tuvo su origen en el proceso de gestación del propio planeta hace unos 4500 millones de años, y que, aunque prosigue con su proceso de lentísima disminución, aun sigue estando presente en las zonas centrales del planeta y llega a la superficie terrestre. Movimientos de convección entre las capas que forman la tierra, especialmente entre manto y núcleo. Desintegración de Isotopos radioactivos (torio 282, uranio 235, uranio 238, potasio 40), que se hallan presentes en corteza y manto. Cristalización del núcleo. En efecto, el núcleo externo (liquido), cristaliza de forma continua, de manera que, en la zona de transición, el núcleo interno (solido) cede calor. Basta con aplicar los principios de la Mecánica de fluidos para ver que estos ingentes gradientes térmicos entre el centro de la tierra y su corteza producen un flujo continuo de energía térmica hacia el exterior, en forma de los tres mecanismos conocidos de transmisión de esta fuente de energía: conducción, convección y radiación. Si se intenta cuantificar esta energía, una estimación de esta que llega a la superficie terrestre por unidad de tiempo es de unos 42*10 12 J/s. De esa cuantía, aproximadamente 8*1012 J/s proviene de la corteza; 32,3*1012 J/s son originados en el manto y 1,7*1012 J/s son emitidos por el núcleo. Haciendo una rápida reflexión sobre las anteriores cifras, se aprecia que el calor que produce la Tierra es descomunal, si bien es cierto que solo una pequeñísima porción de este es utilizable por la técnica que el ser humano ha desarrollado. Esta inmensa cantidad de energía calorífica existente dentro de la tierra sube de manera lenta hasta la parte más superficial, y dicha lentitud es consecuencia del bajo coeficiente de conductividad térmica de las rocas que conforman la corteza. Otra forma de ver este análisis energético es a través del estudio del flujo térmico en unidades de potencia por unidades de superficie (W/m2). Es teóricamente a través del producto del gradiente geotérmico por la conductividad térmica. Si se busca una cuantificación numérica del flujo de calor terrestre se puede establecer en torno a 0,06 W/m2 siendo no obstante verídico que, en determinadas regiones muy privilegiadas, es posible llegar a ordenes de magnitud de entre 1 -10W/m2 , zonas obviamente de mayor potencial geotérmico. Tomando como escala temporal la percepción del ser humano (años), el manto se puede considerar solido o semipastoso en su defecto; pero a escala geológica (millones de años) se puede modelizar su comportamiento como un fluido viscoso cuyos movimientos de convección, desde altas profundidades hasta la corteza, permite que ese calor interno sea portado hasta la superficie terrestre. De forma similar en el núcleo exterior el calor es conducido igualmente por convección, si bien es cierto que en el interior el mecanismo de transmisión térmica preponderante es la conducción. Haciendo un balance energético, una cuantía importante de ese calor se disipa en los propios procesos físicos-químicos que tienen lugar en el interior de la tierra, pero el calor sobrante es recibido por la corteza, progresa hasta la superficie terrestre, es emitido hacia la atmosfera y finalmente irradiado al espacio exterior. ¿De qué manera se manifiestan todos esos procesos energéticos? En ciertas zonas de la Litosfera sometidas a elevadísimas tensiones, que cuando encuentran un punto de fuga, liberan una gran cantidad de calor y presión. Tales puntos de fuga son fracturas o fallas por las cuales ascienden los conocidos como magmas, que no son otra cosa que masa de rocas incandescentes y semifundidas embebidas en materiales volátiles. Y en función de determinadas circunstancias físicas (presión, permeabilidad, dureza, corrientes subterráneas…) este magma es capaz de ejercer un empuje ascensional tal sobre la corteza que puede incluso resquebrajarla, originando toda una serie de fenómenos que toman los siguientes nombres en geología. Volcanes, aberturas de la corteza terrestre por las cuales brota lava, cenizas y vapores a alta presión y temperatura, de forma continua e intermitente. En ocasiones aparece un tipo especial de volcán denominado de fango: erupción de gases y barro que brota donde no hay suficiente agua para originar lo que se conoce como una fuente termal o un geiser. En ellos, vapor y gases burbujean a través de depósitos de barro conformados por su interacción con rocas sedimentarias. Geiseres, surtidores intermitentes de agua líquida y vapor a temperaturas habituales entre 70 y 100ºC y que contiene un gran porcentaje de sales en suspensión o disueltas en solución acuosa. Son precisamente estos minerales disueltos en agua los que quedan  depositados alrededor de la salida del geiser, originando así curiosas estructuras amorfas de sílice (SiO2), llamadas geiseritas. La más elevada densidad de geiseres se encuentra en el parque nacional estadounidense de Wyoming. Fumarolas, emisiones de gases y vapor de agua a temperaturas muy elevadas (de hasta 500ºC), unidas a acido de tipos sulfurosos, carbónico y clorhídrico en distintas concentraciones. En estas mismas líneas se encuentran las Solfataras, contenedoras de vapor de agua entre 90 y 300ºC junto al sulfuro de hidrogeno, el cual, en contacto con el oxigeno presente en el aire, se oxida depositando azufre alrededor de la boca de dicha solfatara. Aguas termales, manantiales naturales de los que brota agua a una temperatura levemente superior a la del cuerpo humano, y que puede discurrir a través de rocas, arroyos y acumularse en lagos y lagunas. Ese tipo de trasiego por distintos tipos de formaciones geológicas y biológicas provocan que arrastren sustancias de propiedades terapéuticas, relajantes y curativas. 7.2 SISTEMAS GEOTERMICOS PARA PRODUCCION DE ELECTRICIDAD CALEFACCION Y AIRE ACONDICIONADO. Conforme al CONSEJO EUROPEO DE ENERGIA GEOTÉRMICA (EGEC), la misma se puede definir como la energía almacenada debajo de su superficie solida terrestre en forma de calor. Esta aceptación aglutina no solo el calor del manto y el núcleo, sino también el calor almacenado en el subsuelo, rocas y aguas subterráneas, independientemente de su origen, rango de temperaturas y profundidades de ubicación. Pero, por el contrario, no contempla el calor retenido en masas acuáticas superficiales, que no obstante es aprovechados en cambiadores de calor y bombas de calor aire-agua y aire-tierra. Sin embargo, ese calor contenido en el subsuelo es la mayor parte de las veces muy poco denso desde el punto de vista energético como para poder ser extraído directamente con un nivel de aprovechamiento económico suficiente. Por esta razón, es preciso disponer de un fluido geotérmico caloportador (normalmente agua), para trasladar dicho calor desde los niveles profundos del subsuelo hasta la superficie, en virtud del empleo de determinadas sondas geotérmicas, realización de sondeos subterráneos. Cuando dicha energía calorífica aflora a la superficie, el fluido geotérmico se usará, bien para su uso directo en virtud de su energía calorífica, o bien para la generación de electricidad. Se intuye, por tanto, que las aplicaciones en las cuales la energía geotérmica tiene un elevado potencial de utilización dependen del contenido energético del fluido geotérmico, esto es, de una función de estado: su entalpía. ¿Qué es una entalpía? Desde el punto de vista de la termodinámica, es una función de estado que mide la cuantía de energía térmica que un fluido puede intercambiar con el entorno. Desde el punto de vista energético, podemos afirmar que la entalpía es la función termodinámica mas potente, por su variadísima utilización en máquinas y motores térmicos. Matemáticamente se puede representar así: 𝐻 = 𝑈 + 𝑃 ∗ 𝑉 = 𝐶𝑝 ∗ 𝑇 H: ENTALPIA; U: ENERGIA INTERNA; P: PRESION; V: VOLUMEN; Cp: CAPACIDAD CALORIFICA ISOBARICA; T: TEMPERATURA. La forma de materializar dicha medición de temperaturas se lleva a cabo mediante sondas térmicas que son capaces de valorar la cantidad entalpica de un yacimiento como fiel reflejo de un estado calorífico del fluido geotérmico. En función de la entalpia, es posible establecer una clasificación de los recursos energéticos de la geotermia en cuatros intervalos térmicos: muy baja, baja, media y alta entalpia. ALTA ENTALPIA: MAS DE 150ºC. Se transforma el vapor del agua obtenido en energía eléctrica, bien para inyección de red, o bien para consumo directo, conforme a los conocimientos ya transmitidos. El aprovechamiento de esta forma de energía geotérmica realmente queda restringido a regiones muy concretas del planeta, donde condiciones geológicas muy favorables hacen posible la transferencia de energía térmica desde zonas muy calientes (permiten generar vapor seco a temperaturas de trabajo que rondan los 300-350ºC) y profundas, hasta regiones superficiales o casi adyacentes a la corteza terrestre. 1. Circuito abierto de vapor o tecnología de flash: ya es sabido que es posible disponer de vapor de agua presurizada para nutrir una turbina y producir energía  eléctrica, siempre que el flujo proporcionado por el yacimiento geotérmico garantice un suministro entalpico continuado. Sin lugar a duda, este es el procedimiento de producción geotermoelectrica mas sencillo, pues en la misma agua geotérmica es absorbida desde el pozo del yacimiento ya en estado de agresión gaseoso, y es inyectada en una turbina que rota a alta velocidad gracias a la sesión de su entalpia. Esta solución recibe el nombre de proceso de flas simple, y da lugar igualmente a las centrales geotérmicas de este tipo. Y si dicho vapor se inyectara en la turbina al principio y en un punto intermedio, previa extracción de parte del vapor, se obtendría la técnica llamada central de doble flash. Precisamente es perdida, traducible en la disminución paulatina de presión y temperatura, provoca que el agua retorne nuevamente a su estado liquido o con la presencia de alguna fracción en equilibrio de vapor. Se da la circunstancia que es factible reinyectar el vapor al acuífero de origen una vez usado, si bien es cierto que esta aparentemente sencilla operación se complica especialmente ya que es casi imposible conseguir que el vapor este absolutamente seco. En efecto las diminutas formas del agua que puede retener vapor, a la presión a la cual se ve impactada con los alabes de la turbina, experimentan un impacto tan brutal que pueden llegara romper los mismos (cavitación). Para evitarla, es habitual ubicar a la salida del vapor del pozo del yacimiento, un separador centrifugo de agua líquida que contenía el vapor. Además, debe tenerse en cuenta que las aguas subterráneas fluyen a través de variados estratos geológicos, disolviendo y arrastrando a su través ínfimas partículas sólidas de compuestos químicos tales como sales. Todos ellos pueden actuar como verdaderos agentes destructores de los antedichos alabes de las turbinas, disparando económicamente los costes de mantenimiento y operación hasta incluso provocar que las plantas sean inviables. La cavitación es un fenómeno no deseado consistente en la destrucción de los alabes de una turbina de vapor por su colisión con las gotas de agua. 2. Circuito cerrado de vapor o ciclo binario: consiste en emplear el vapor del subsuelo para calentar otro fluido especifico de propiedades termodinámicas especificas (gracias al intercambiador de calor) hasta transformar este ultimo en un vapor libres de impurezas. este circuito cerrado de vapor o ciclo binario no solo puede proteger la instalación de turbinado frente a impurezas, sino que también es utilizado en casos en los que el yacimiento geotérmico genera una mezcla bifásica agua-vapor a temperaturas menores a las que se precisa tener vapor seco. Debido a la inexorable perdida energética en el intercambiador entre ambos circuitos, es muy difícil conseguir en el circuito secundario vapor lo suficientemente seco a la presión necesaria para el adecuado funcionamiento de la turbina. Por este motivo el fluido que se suele emplear en circuito cerrado debe ser distinto del agua y debe tener una temperatura de ebullición la más baja posible. Son habituales las mezclas de hidrocarburos volátiles (bajo punto de ebullición), como n-butano, isobutano, propano, isopentano. Estos fluidos térmicos trabajan en rangos térmicos entre 35ºC (fase fría), 150ºC (fase caliente), y desde el punto de vista termodinámico, responderán a un esquema de principio en el cual el circuito geotérmico será el primario; el cual intercambiará calor con otro circuito cerrado (secundario) del ya mentado fluido más volátil y un tercer circuito abierto con agua de refrigeración, que cogerá agua de la superficie y a ella será devuelta sin contaminación alguna. MEDIA ENTALPIA: ENTRE 90º Y 150ºC. También es factible recurrir a esta solución técnica para generar electricidad previo empleo, eso sí, de otro fluido de intercambio adicional que nutra las turbinas de potencia que llevaran solidariamente conectados unos alternadores. Tienen más interés las centrales de menor potencia, que están mas extendidas gracias a la mayor disponibilidad de yacimiento y recursos de media entalpía. Estas centrales geotérmicas de 5MW de potencia tienen más viabilidad económico- financiera mucho más mayor que las plantas de potencias mayores. Sus ventajas son: − Posibilidad de construcción modular de la planta en nodos transportables de baja potencia y (entre 100 y 300KW) y pequeño tamaño. − Existencia de mayores números de yacimientos viables. − Se adaptan de forma óptima al ciclo termodinámico correspondiente.  − Pueden funcionar de forma aislada (sin tener que inyectar a red) nutriendo incluso a un pequeño consumidor de electricidad aislado de forma flexible y progresiva desde un 25%de potencia nominal. − Diseño automatizado sencillo de implementar, hecho que permite un elevado nivel de funcionamiento autónomo. − La inversión económica para instalación y mantenimiento es reducida. − Posibilidad de un único pozo de alimentación, lo que disminuye costes. BAJA ENTALPIA: ENTRE 30 Y 90ºC. En ocasiones es difícil hacer una división exacta entre las aplicaciones de baja y muy baja entalpia, pero a priori se puede aceptar por valida la división que seguidamente se explica. Para las conocidas como explicaciones directas de la geotermia a baja entalpia, se dispone de un circuito secundario por el cual trasiega fluido al rango de temperaturas anteriormente indicadas. Si se realiza una breve enumeración de estas según su porcentaje de uso practico, se tiene las siguientes aplicaciones: 1. Actividades acuáticas, baños termales, piscinas y balnearios. 2. Producción de ACS y calefacción de edificios. Normalmente estos sistemas precisan circuidos cerrados secundarios para el suministro de ACS y calefacción a grandes superficies mediante conducciones de gran longitud. 3. Climatización de invernaderos. Las ventajas son: − Obtención de especies no autóctonas en cualquier región. − Selección de la época de siembra de ciertos productos, según demanda. − Incremento del número, calidad y volumen de cosecha. − Protección contra meteorología adversa, parásitos, incendios, plagas… 4. Piscifactorías, acuicultura y recuperación de especies. 5. Secaderos de alimentos variados. 6. Otras aplicaciones industriales. MUY BAJA ENTALPIA: MENOS DE 30ºC. Su contenido energético es insuficiente para producir energía eléctrica, pero si es adecuado para calefactar viviendas y edificios, así como suministrar calor a ciertos procesos agrícolas o industriales. La baja entalpia es también conocida como energía geotérmica somera, o geotermia solar. SISTEMAS HIDROTERMICOS GEOPRESURIZADOS Y DE ROCA CALIENTE. Sistemas hidrotérmicos: Aquellos que emplean agua líquida y vapor, a temperaturas comprendidas entre 40-400ºC y presiones entre 3-10 bar. Las líneas de investigación actuales se centran en la mejora de los métodos de perforación y circulación del agua o vapor hasta la zona de consumo. Un caso particular de los sistemas hidrotérmicos es el llamado de doble hidrotérmico, que consiste en hacer dos perforaciones en las inmediaciones de la roca caliente De todo esto se infiere que la geotermia no es una fuente energética ampliables a voluntad, toda vez que, aunque en su aprovechamiento se emplean técnicas convencionales propios de otras ramas de la ingeniería energética, es imprescindible realizar una adecuada gestión de acuífero afectado. Si se desea alterar las condiciones impuestas para modificar la duración de una explotación o la distancia entre pozos, surgen otros factores limitantes del punto de funcionamiento, siendo imposible físicamente hacer factible la obtención de un caudal mayor. Entre esos factores se citan algunas como: − Las propias comunicaciones internas que pueda tener acuífero en función de la porosidad de las roscas que lo contienen. − La presión de fractura que restringe la presión de reinyección: si se sobrepasa tal presión de fractura se puede provocar filtraciones entre el pozo de extracción y reinyección, dirigiendo rápidamente el agua fría hacia los pozos de extracción. − La tecnología de los equipos de bombeo, que limitan tanto el caudal que se va a inyectar como la altura de carga. Sistemas geopresurizados: el fluido geotérmico aguanta una parte importante del peso de las rocas inmediatamente situadas por encima de él, permaneciendo por tanto a una gran presión. La energía contenida en estos fluidos es de tres tipos:  − Calor (temperaturas entre 100-180ºC). − Presión Hidrostática (de 2 a 6 Km a 700 bar aprox.). − Presencia de metano (agua y materia orgánica bajo los mantos de pizarra). Sistema de roca caliente. Esta solución consiste en bombear agua fría presurizada a través de pozos de inyección hasta un nicho de rocas calientes y compactas buscando así su fractura hidráulica. El agua que trasiega a través de esas fracturas causadas artificialmente extrae el calor almacenadas en las rocas cercanas que actúan a modo de reserva térmica natural. Finalmente se emplea un segundo pozo para extraer el agua calentada y hacer uso de las mismas. 7.4 CAPTACION GEOTERMICA: CLASIFICACION, EVOLUCION Y FUNCIONAMIENTO. De forma genérica, bajo la denominación de dispositivos de captación se está haciendo mención a los sistemas de captación de energías geotérmicas de muy baja entalpia: esto es, principalmente a las bombas de calor geotérmicas (GHP). Haciendo memoria, podemos recordar que en las mismas existía un intercambiador de calor conectado al circuito de climatización o ACS (interior de la instancia) y otro conectado del lado geotérmico (exterior). El trasiego de fluido refrigerante se realiza mediante una válvula de 4 vías que dirige la dirección y el sentido de circulación del fluido refrigerante en función del régimen de trabajo. En el punto final de los circuitos de distribución se ubican los puntos de demanda de esa energía térmica entregada (calor o frio): las estancias que se van a refrescar o calefactar. Puntos de demanda que serán el punto de partida para el dimensionamiento del sistema de aprovechamiento de energía geotérmica con GHP. Bajo la denominación COP se conoce en ingles el Coefficient Of Performance, medida de la eficacia de una bomba de calor. Tipos de captadores: Captadores horizontales soterrados: su objetivo final es servir de foco frio para bombas de calor geotérmicas específicas para climatización de viviendas unifamiliares o locales de libre afluencia de público. Sondas geotérmicas verticales: su razón de ser es subsanar las razones que desaconsejan las instalaciones de captadores horizontales. Es entonces cuando los tubos captadores en U o sondas geotérmicas se introducen parcialmente en conducciones verticales previa excavación o pozo realizada por una maquina perforadora. Adicionalmente, el sondeo se rellena con una sustancia buena conductora del calor desde el subsuelo a los tubos caloportadores, tal como el agua, grava, arenas permeables u hormigón con arcilla blanca. Cimentaciones geotérmicas: caso particular de lo explicado, se trata realmente de reconvertir la estructura de cimentación de la edificación a base de pilotes en un campo de sondas geotérmicas. De esta forma, con pilotes actuando como sondas, el circuito de intercambio térmico se ubicaría debajo del propio edificio, consiguiendo así un significativo ahorro de trabajo y espacio. Aprovechamiento de aguas en túneles: dentro del mundo de la obra civil y en concreto en grandes obras de tunelización que transcurre dentro de grandes macizos rocosos, minas, pozos cerrados y vías de cierres, se produce el fenómeno de drenaje de aguas subterráneas, tanto para sanear paredes como para estabilizar las estructuras internas. Pozos provenzales/canadienses: se busca aprovechar la inercia térmica del subsuelo. Se podrá afirmar que el mejor impulsor de la energía geotérmica, al menos para usos termales, fue el imperio romano. En el año 1827, el francés François Larderel diseño y desarrollo una solución técnica para emplear el calor geotérmico en procesos industriales tales como la evaporación. La bomba de calor geotérmica ha sido la aplicación definitiva que ha permitido popularizar la geotermia. 7.5 COMPONETES DE LAS CENTRALES. Nos vamos a encontrar con grupos de turbinados, intercambiadores de calor, bombas, torres de refrigeración, separadores de tipo flash, valvulería, generadores eléctricos, dispositivos de regulación, control y supervisión de plantas, conducciones, aislamientos térmicos, sistemas de seguridad. 7.6 SITUACION ACTUAL Y RETOS DE FUTUROS: COSTES, VENTAJAS E INCONVENIENTES. El panorama respecto a la geotermia en España es nulo, cifra que además que decrece progresivamente, a pesar de las bondades de la energía geotérmica, su uso en España aun no esta ni mucho menos generalizado. RAZONES: Escasa capacidad productiva. Falta de bombas de calor Condiciones climatológicas y demográficas. La mayor parte de la península se ve sometido a inviernos fríos y largos Poco interés. De parte de promotores inmobiliarios y de compradores Escaso apoyo institucional ¿A QUE RETOS TECNOLÓGICOS SE ENFRENTA LA ENERGÍA GEOTÉRMICA? Optimización de su uso: con independencia del uso al cual se destina la geotermia que sube desde los yacimientos va perdiendo progresivamente energía térmica. Mejora de los recursos de baja entalpía: las líneas de investigación para la geotermia de baja entalpía se centran en la vasta disponibilidad de tales recursos y en concreto en la posibilidad de ahorrar otros tipos de energía. El principal problema es la baja temperatura a la cual se obtiene el fluido caloportador. Integración con tecnologías energéticas compatibles: es en este escenario donde la geotermia de baja y muy baja entalpía se integra especialmente bien con la energía solar térmica, hecho que es casi perfecto para producir ACS, apoyo a la calefacción y climatizar piscinas. La hibridación de instalaciones geotérmica-solar es una de las mejores formas de incrementar el nivel de usabilidad de la geotermia. La energía geotérmica permite producir electricidad sin interrupción durante 24 horas al día y 365 dias del año, no precisa de suministro de combustible alguno. ¿FACTORES PARA EL COSTE DE INVERSIÓN? Tamaño de la instalación: cuanto mayor es la potencia de la planta, menor es el coste unitario de adquisición de bomba e intercambiador, así como el montaje y beneficio industrial, pues se produce en efecto de escala en los costes. Costes de perforación: la perforación en si es la partida que precisa la mayor parte de la inversión, pues supone en torno al 50% del coste total de la inversión y experimenta oscilaciones muy grandes según el terreno que se valla a perforar ¿CUALES SON LAS VENTAJAS DE LAS PLANTAS GEOTERMOELECTRICAS RESPECTO A OTROS TIPOS DE PLANTAS? VENTAJAS: Menores gastos de operación y mantenimiento de las mismas, desde el punto de vista de equipos, fungibles e instrumental, como desde la perspectiva de los recursos humanos. Flexibilidad en la posibilidad de construcción de la planta de forma modular. Respeto medioambiental, sin vertido de gases nocivos a la atmosfera. Generación técnicamente rentable, con rendimientos de 50-60%. Elevada eficiencia energética en régimen a carga reducida, especialmente en las plantas concebidas como centrales de pequeña potencia. Sencillez en las siempre procelosas tareas de regulación y control de la planta. Optima integración en redes pequeñas de suministros eléctricos o incluso en las de consumidores locales, con menos perdidas que las redes generales de alta tensión. INCONVENIENTES: Tales yacimientos abarcan una reducida extensión de la superficie terrestre, de lo cual se infiere que no son especialmente abundante. Las plantas deben localizarse precisamente al pie de tales yacimientos para evitar perder la entalpía del vapor. Son precisos exigentes parámetros de funcionamiento tales como la estabilidad, nivel de disponibilidad y un optimo mantenimiento que precisa conocimientos especializados. 7.7 COMBINACION CON FUENTES CONVENCIONALES El deseo de incrementar la rentabilidad de las soluciones basadas en la geotermia, así como la incansable búsqueda de una mayor eficiencia energética de las instalaciones hacen posible una mayor eficiencia energética de las instalaciones hacen posible una constante y continua evolución de la energía geotérmica en su conjunto. De una parte, ese potencial de mejora se centra en su utilización el aporte térmico. La combinación del inagotable y respetuoso recurso geotérmico con otras fuentes renovables (solar térmica) o no renovables (aerotermia) permite rendimientos espectacularmente elevados, al poder regenerarse la temperatura del subsuelo durante la época del verano, merced a la inmensa cantidad de radiación solar recibida. Ello conduce indudablemente a la prospección de sistema híbridos de climatización para optimizar las inversiones iniciales que representa el campo de captación geotérmico, siempre una partida costosa. 7.8 IMPACTO AMBIENTAL DE LA UTILIZACION DE ENERGIA GEOTERMICA Toda fuente de energía representa por definición un cierto impacto ambiental en el entorno, por pequeño que sea, y la energía geotérmica no se ve exonerada de la circunstancia: las emisiones liquidas y gaseosas; y el impacto visual son los responsables. ¿DE DONDE PROVIENE LOS IMPACTOS? De las fases de prospección, sondeo y construcción de grandes plantas geotermoeléctricas, principalmente. RUIDO.-Una de las perturbaciones como el ruido, se presenta especialmente en la fase de sondeo, construcción y generación energética, llegándose a traspasar el umbral del dolor con hasta 120dBA. VERTIDOS GASEOSO.-Otros de los impactos ambientales provocados durante la fase de operación es la emisión de vertidos gaseoso a la atmosfera. Afortunadamente, suele tener una muy baja incidencia en el entorno y están constituidos por gases no condensables que son arrastrados por el vapor de agua: son compuestos químicos tales como sulfuros de hidrogeno y dióxido de carbono, a las cuales se le añaden trazas de hidrogeno, nitrógeno, metano, radón, amoniaco, especies volátiles, las cuales son tratadas todas ellas antes de su emisión atmosférica. EMISION AGUAS SUPERFICIALES-SUBTERRANEAS.- El uso de algunos fluidos en la fase de sondeo; infiltraciones por intersticios de las paredes del pozo en el proceso de reinyección; errores al impermeabilizar las piletas de evaporación. IMPACTO VISIUAL.- De ser un asunto estrictamente estético, llega a tener una importancia considerable, si las centrales geotermoeléctricas se localizan en campos geotérmicos sobre espacios naturales o protegidos y con un gran valor en tema de paisaje. POTENCIALES SUCESOS CATASTROFICOS.- Vinculados con volcanes y terremotos, pues se localizan en regiones de alta actividad tectónica. Esa indeseada actividad sísmica podría provocar filtraciones de fluidos a partes no deseadas de las centrales. ERUPCIONES HIDROTERMALES.- son ciertamente atípicas y tienen un lugar cuando la presión del vapor de los acuíferos aumenta hasta proyectarse en dirección vertical y hacia arriba, rompiendo las capas de tierra ubicadas en su misma vertical y creando un cráter. HIDROGENO El hidrogeno no es una fuente energética, pero si un elemento renovable si es extraído del agua. El desafío del futuro es obtener el hidrogeno del agua marina, pero con una inversión energética menor que la necesaria para sintetizarlo del agua. Su forma de utilización se centra en dos tecnologías: combustión directa o pila de combustible. En efecto, en la búsqueda de vectores energéticos alternativos para generar energía, el hidrogeno se postula como uno de los grandes candidatos en función de sus innumerables ventajas. Es un combustible extremadamente limpio cuando se quema con aire y produce emisiones no contaminantes. Y, además de la combustión directa, la tecnología basada en pilas o celdas de combustible permite transformar la energía química en el enlace H-H de la molécula de hidrogeno en electricidad e inocuo vapor de agua. 8.1 CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE EL HIDROGENO El hidrogeno es el mas simple de entre todos los elementos químicos del universo, no en vano esta constituido solamente por un protón y un electrón: puesto que no posee neutrones es el elemento químico mas ligero de toda la tabla periódica. En condiciones normales de presión y temperatura es un gas diatómico (H2) incoloro, inoloro, insípido, no toxico, pero muy inflamable. En añadidura, es el elemento mas abundante del universo, toda vez que el 75% de la materia cósmica está constituida o contiene hidrogeno en su composición química. Su virtud es su principal defecto: a pesar de semejante abundancia, se podría emplear directamente como combustible si estuviera al alcance de la tecnología humana. En nuestro planeta no hay prácticamente hidrogeno en estado libre, ya que es tan ligero que el campo gravitatorio terrestre no puede retener un elemento químico de una masa prácticamente despreciable. Su densidad es de 0,0899kg/N.m3 en su estado de gas y de 0,0708kg/l en su estado de líquido. Su poder calorífico inferior es de 120MJ/kg equivalentes a 33.33Kw.h/kg. Y sus capacidades caloríficas a presión y volumen constantes son respectivamente de 14,199J/kg.K y 10.074J/kg.k. El isotopo mas habitual del hidrogeno se denomina científicamente protio y dispone de un solo protón y ningún neutrón como se ha comentado; no menos cierto es que en compuestos iónicos, el hidrogeno adquiere carga positiva o negativa. En función de esta posibilidad del hidrogeno de transformarse en aniones, suele originar fácilmente compuestos químicos con la gran mayoría de elementos químicos restantes, participando además el agua en la mayoría de los compuestos orgánicos. Tiene un papel especialmente preponderante en la química de ácido-base, en la que un gran numero de reacciones precisan del intercambio de protones entre moléculas solubles. Cronología: 1874 JULIO VERNE: "Creo que un día el agua será un carburante, que el hidrógeno y el oxígeno que la constituyen, utilizados solos o conjuntamente, proporcionarán una fuente inagotable de energía y de luz, con una intensidad que el carbón no puede; que dado que las reservas de carbón se agotarán, nos calenBALANCE taremos gracias al agua. El agua será el carbón del futuro". S. XVI PARACELSO: Obtiene hidrógeno añadiendo limaduras de hierro al ácido sulfúrico. El “aire inflamable”. 1766 HENRY CAVENDISH: Descubre que se trata de un elemento independiente y que se combina con el oxígeno para formar el agua. ANTOINE LAURENT DE LAVOISIER: Reproduce el experimento de Cavendish y le da su nombre en griego: ὕδωρ hýdōr «que genera o produce agua» FORMAS DE PRODUCCION DE HIDROGENO Sus características intrínsecas hacen que, salvo en determinadas circunstancias, siempre se encuentre combinado con otros elementos químicos formando compuestos. Esto es, es abundante pero difícil de obtener. Así pues, la producción del hidrogeno se realiza mediante distintos métodos y procedimientos que implican la separación del mismo de elementos químicos tales como el carbono y el oxígeno. 1. PRODUCCION DEL HIDROGENO A PARTIR DE LA BIOMASA Existe hidrogeno también en formato biomasa y biogás y especialmente en los hidrocarburos de hace millones de años, en forma de carbón, petróleo y gas natural. Así, rompiendo enlaces de moléculas contenedoras de hidrogeno mediante distintas tecnologías se logra liberar el hidrogeno que, previo almacenamiento y transporte, se puede usar como combustible directo, celdas de hidrogeno u otras aplicaciones. Con la química moderna, la ciencia sabe como separar el hidrogeno del oxigeno que conforman el agua mediante electricidad a través de un proceso denominado electrolisis. Adicionalmente, este procedimiento es limpio y genera hidrogeno de una gran pureza. ¿CUÁL ES EL PRINCIPAL ESCOLLO? La electrolisis necesita un aporte muy grande de energía eléctrica, por lo tanto, para generar energía a través del hidrogeno, se precisa también energía (en forma de electricidad), además en gran cantidad, y con dos importantes sobrecostes: la energía eléctrica es cara, y si esta no se logra de otras fuentes renovables, contaminantes. Por ese motivo, la opción más ventajosa económicamente hablando y en función de la tecnología actual es obtener hidrogeno procedente de gas natural a través de una tecnología muy contrastada: el reformado con vapor, que permite romper las moléculas de dicho gas (CH4) con vapor de agua y en presencia de un