Tecnología Nuclear U4 PDF

3. Energía nuclear Hasta finales del siglo xx, los científicos creían que la energía de una partícula dependía de su velocidad (energía cinética). Fue Einstein quien afirmó que las partículas atómicas tenían energía, independientemente de su velocidad. La energía nuclear es aquella que se libera co...

3. Energía nuclear Hasta finales del siglo xx, los científicos creían que la energía de una partícula dependía de su velocidad (energía cinética). Fue Einstein quien afirmó que las partículas atómicas tenían energía, independientemente de su velocidad. La energía nuclear es aquella que se libera como consecuencia de las reacciones que se producen en algunos núcleos atómicos y que se denominan «reacciones nucleares». Einstein descubrió que la masa se podía transformar en energía, según la fórmula: E= m · c^2 Se observa que una pequeña cantidad de masa proporciona una gran cantidad de energía. Ello se debe a que, en las reacciones nucleares, el aprovechamiento energético se efectúa de manera distinta a como se realiza en una combustión ordinaria. En la práctica no es posible transformar toda la masa en energía. Normalmente, se parte de uno o dos átomos de uno o dos elementos para transformarlo en otro elemento distinto. En el cambio se observa una ligera variación de las masas iniciales y finales, pero en ningún caso los átomos iniciales desaparecen por completo. En la actualidad se está trabajando con dos tipos de reacciones nucleares: Reacción nuclear de fisión. Se emplea fundamentalmente para obtener electricidad y como medio de propulsión en submarinos. Con este método se obtiene alrededor del 20% de la energía eléctrica mundial. En la actualidad existen unos 442 reactores nucleares funcionando en 29 países, con una potencia total instalada de 375001 MW. Reacción nuclear de fusión. Se estima que genera el 90% de la energía de las estrellas. Está en fase experimental. Todavía no se ha conseguido energía comercial alguna. Se le augura un gran futuro. 3.1. Tipos de reacciones nucleares Desde el punto de vista de la obtención de la energía, existen dos tipos de reacciones nucleares: fisión y fusión. 1. Fisión nuclear: Consiste en romper un núcleo de un átomo de uranio enriquecido al 3% (235U) o de plutonio (239pu). Estos son los dos únicos isótopos fisionables (cuando se rompen emiten gran cantidad de energía) y, además, inestables (están emitiendo partículas, lo que hace que se conviertan en otro átomo distinto). El proceso se inicia lanzando un neutrón a gran velocidad sobre el átomo que se desca fisionar (romper). Al chocar el neutrón contra el núcleo, lo rompe en dos fragmentos (ocs nuevos átomos), liberando tres neutrones y gran cantidad de calor. Cada uno de los tres neutrones emitidos puede provocar nuevas fisiones en otros núcleos, continuando el proceso. En la segunda reacción nuclear se romperían tres átomos de forma simultánea, que emitirían cada uno otros tres neutrones, por lo que en la tercera reacción ya habría nueve. Como se observa, en cada instante hay muchísimos más núcleos que se rompen, por lo que se está liberando mayor cantidad de calor Los elementos más importantes de cualquier central nuclear de fisión son: a) Reactor nuclear. Es una instalación capaz de iniciar, mantener y controlar las reacciones nucleares de fisión que se producen en su núcleo. Consta de: - Tubos de acero inoxidable, en los que se introduce el combustible (formado por pastillas de uranio 235U). - Barras de control, que regulan la cantidad de escisiones en la unidad de tiempo y, por tanto, la potencia del reactor. Si las barras están totalmente levantadas, se producirá una reacción en cadena (con peligro de explosión), porque no hay nada que detenga a los neutrones que se generan. Cuando las barras son introducidas totalmente en el núcleo, la reacción en cadena se detiene. Las barras son de carburo de boro, porque absorben muy bien los neutrones. - Moderador, cuya finalidad es la de reducir la velocidad de los neutrones. Se ha comprobado que los neutrones con velocidades lentas (alrededor de 2,2 km s-1) tienen más probabilidades de impactar con un núcleo que los que se desprenden a grandes velocidades (20000 km s). Para ello se emplea deuterio, berilio, agua ligera o grafito. y rápidos: Según el moderador utilizado, los reactores nucleares se pueden clasificar en: Reactores lentos. También se les conoce con el nombre de reactores térmicos. Son aquellos que disponen de moderador. Se trata de reactores más controlables, ya que al poder ajustar la velocidad de los neutrones se sabe con antelación cuándo se va a producir la escisión del núcleo de un átomo. Reactores rápidos. Los que no disponen de moderador. Cuando el reactor está en funcionamiento se genera una gran cantidad de radiación de la que es necesario dor del reactor normalmente de hormigón y plomo. proteger a los trabajadores de la central. Para ello se construye un blindaje alrededor del reactor normalmente de hormigón y plomo. b) Turbina. A la turbina llega vapor a alta presión. El giro de la turbina mueve un alternador que genera corriente eléctrica. c) Condensador. Para que la turbina funcione correctamente es necesario licuar el vapor que sale de ella. Para ello se usa un intercambiador de calor o condensador. El intercambiador es un depósito lleno de agua por el que pasa una tubería que transporta el líquido o gas que se quiere enfriar. La tubería cederá el calor al agua del depósito. Luego es necesario sacar el calor del depósito; para ello se introduce otra tubería, que entra con agua fría y sale con el agua calentada. d) Edificio de almacenamiento y manipulación. Se utiliza como depósito de combustible. Este combustible es almacenado en piscinas de hormigón, recubiertas con una plancha de acero y llenas de agua. En este lugar también se almacena el combustible ya utilizado hasta que es trasladado a un centro de reprocesamiento o a un depósito de almacenamiento definitivo. e) Circuito de refrigeración/generador de vapor. El núcleo del reactor está rodeado por un líquido refrigerante cuya misión es la de evacuar el calor. Los refrigerantes más utilizados son: deuterio, protio o helio. 2 Fusión nuclear: Consiste en la unión de dos núcleos de átomos ligeros para conseguir un núcleo nuevo más pesado y el desprendimiento de gran cantidad de energia. Los átomos de un gas están siempre en movimiento desordenado, chocando unos contre otros. A medida que se calientan, aumenta su velocidad. Si la velocidad se eleva a varios miles de kilómetros por segundo (aplicándoles calor hasta que su temperatura licante a millones de grados), pueden vencer la mutua repulsión de sus núcleos y asi fundise al chocar, generando un átomo nuevo. Este proceso libera gran cantidad de energie er forma de calor. Actualmente las reacciones termonucleares que dejan en libertad mayor cantidad de energía son las que tienen lugar entre núcleos de isótopos de hidrógeno, concretamente entre los isótopos deuterio y tritio (radiactivo, con una vida media de 12,3 años) para formar helio. Además, existe la ventaja de que ambos se pueden obtener del hidrógeno y este del agua dulce o de la del mar, con lo que resultaría una fuente inagotable de energía. De momento, la fusión nuclear todavía se encuentra en estado experimental, ya que para lograrla se gasta más energía de la que se obtiene. Son varios los problemas que se presentan: Calentar el gas a temperaturas tan elevadas. Se ha estimado que, para obtener una cantidad de energía que supere la necesaria para iniciar la reacción, se necesita una temperatura de unos 100 000 000°C. Para que este sistema fuera susceptible de utilización comercial, tal vez se necesitarían 300000 000°C y que se mantuviesen durante varios segundos. Se cree que la fusión es la fuente de energía de las estrellas (el Sol, por ejemplo) 3.2. Energía nuclear y medioambiente Impacto medioambiental. Si una central de fisión funciona con normalidad, las emisiones radiactivas no superan las producidas de manera natural (Tabla 4.4). Sin embargo, puede haber accidentes debidos a: - Escapes de agua radiactiva del circuito primario (como ocurrió en el año 2000 en el submarino británico Tireless). - Explosiones del reactor, motivadas por un exceso de temperatura al fundirse las paredes que lo recubren (es el caso de la central de Chernóbil, en Ucrania, y de Fukushima, en Japón). Si se producen escapes radiactivos hacia el exterior, pueden tener efectos temislas sabre ton seres vivos. El efecto dependerá del nivel de radiactividad y del tiempo de exces En las centrales de fusión, aún en fase experimental, las posibilidades de que dente son ínfimas, ya que la masa que se emplea es muy pequeña. Las racaciDoe son mucho menores que en el caso de la fisión y los efectos también. Tratamiento de los residuos. Los residuos de las centrales nucleares son aquellos materiales que emiten partículas radiactivas. Se pueden clasificar en los siguientes tipos: - De baja actividad: ropas, guantes, herramientas, etc. - De media actividad: filtros de gases y líquidos usados. - De alta actividad: los combustibles gastados (238U). Los residuos de baja y media actividad se mezclan con hormigón y se introducen en bidones que se almacenan en la propia central y luego se llevan a almacenes definitivos, como el depósito de El Cabril (Córdoba). Los residuos de alta actividad se almacenan provisionalmente en la central, dentro de piscinas de hormigón con agua. 4. Energía hidráulica La energía hidráulica es la energía del agua cuando se mueve a través de un cauce (energía cinética) o cuando se encuentra embalsada a cierta altura (energía potencial). Cuando se deja caer el agua, la energía potencial se transforma en energía cinética al adquirir velocidad y puede ser aprovechada para diversos fines. Se trata de una energía renovable consolidada y representa el 14% de la producción mundial de electricidad. Ya desde la Antigüedad, el ser humano aprendió a utilizar este tipo de energía. Para ello empleó diferentes ingenios (ruedas hidráulicas), que fueron evolucionando (turbinas) con objeto de obtener el máximo rendimiento posible En la actualidad, prácticamente toda la energía hidráulica se emplea para la obtención de electricidad. Su ventaja principal es la de tratarse de un tipo de energía limpia, sin residuos y fácil de almacenar (en embalses o pantanos). 4.1. Componentes de un centro hidroeléctrico Toda central hidroeléctrica transforma la energía potencial del agua acumulada en el embalse en energía eléctrica a través del alternador. Las diferentes transformaciones de energía se llevan a cabo en el orden que se indica en el siguiente esquema y mediante las máquinas que en él se señalan: Energía potencial (embalse de agua) Energía cinética del agua (Tuberías) Energía cinética de rotación (Turbina) Energía eléctrica (Alternador) Diferencias entre turbina Kaplan y turbina Pelton: ¿Que son? Kaplan: Se trata de una turbina de eje vertical y un rotor en forma de hélice con aspas Pelton: Se trata de una rueda hidráulica la cual es capaz de soportar choques potentes de chorros de agua ¿Cual es su uso? Kaplan: Se emplea para saltos de agua inferiores a 25 m y mucho caudal. Pelton: Se usa cuando se dispone de un gran salto de agua, pero no de mucho caudal ¿Cual es su porcentaje de rendimiento? Kaplan: Su rendimiento suele estar entre el 93 y el 95%. Pelton: Su rendimiento puede llegar hasta el 90% Embalse. Representa la totalidad del agua acumulada. Para ello dispone de un muro grueso de hormigón, denominado presa, cuya función es la de retener el agua. Básicamente, existen dos tipos: Presa de gravedad. Con su peso contrarresta el empuje del agua. Suele ser recta o un poco cóncava (por el lado del agua). Su sección transversal es triangular, formando un ángulo recto entre la base y el lado del embalse. Su construcción resulta cara. Presa de bóveda. Trabaja de manera que el empuje del agua lo cransmile a las laderas de la montaña. Suele ser convexa, de tal manera que, cuanto más empuja el agua del embalse, más se «clavan» los lados de la presa en las laderas de la mariaña. Esta característica reduce el tamaño de la presa, por lo que su construcción es más barata pero mantiene la misma solidez que el caso anterior. Compuertas. Evacúan agua del embalse sin que pase por la sala de máquinas cuando es necesario soltar agua por razones de riego o seguridad (lluvias excesivas). Transformadores. Elevan la tensión de salida de los alternadores, que suele ser la utilizada para transportar la corriente entre puntos distantes. Chimenea de equilibrio. Pequeño depósito, conectado a las tuberías de conducción, en el que hay agua acumulada. Evita que entre agua en las tuberías cuando hay un cambio de presión. Líneas de transporte de energía eléctrica. Si la central está conectada a la red nacional (que es lo lógico), debe estar sincronizada con el conjunto de la red para que su aportación se sume a la de otros. Sala de máquinas. Alberga las turbinas y el alternador. Toma de agua. Suele estar colocada a un tercio de la altura de la presa para que los fangos, piedras y otros materiales no sean arrastrados a las turbinas. Además, dispone de una reja filtradora. Turbinas. Transforman la energía cinética del agua en energia mecánica de rotación. En la actualidad, las más empleadas son la Kaplan (con rendimientos bastante altos) y la Pelton mejorada Alternador. En las turbinas Pelton suele ser solidario al eje de la turbina, ya que su velocidad de giro se puede regular colocando más o menos chorros. Las turbinas Kaplan suelen girar muy rápidamente, por lo que es necesario intercalar un reductor de velocidad entre turbina y alternador.