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Centrales nucleares Parte 1 - Monografía



 
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Hidráulica. Física nuclear. Átomo, núcleo. Fuerzas nucleares. Radiactividad. Radiación. Fisión. Reacción cadena. Ciclo combustible. Central. Reactor



HIDRAULICA CENTRALES NUCLEARES



OBJETIVOS



GENERAL



- Aprender como cual es la base del funcionamiento de una planta nuclear

ESPECIFICOS



- Comprender cual es la función y el funcionamiento de las plantas nucleares
- Conocer las ventajas y desventajas del uso de la energía nuclear
- Conocer como están conformadas las centrales nucleares
- Conocer con que equipos se puede generar energía nuclear

INTRODUCCION



La energía nuclear con el paso del tiempo de ha vuelto muy importante para el desarrollo de tecnologías en diferentes áreas entre ellas la salud y generación de energía sin el uso de biomasa, estos avances han mejorado la calidad de vida en muchos países del mundo.

Por eso se ha venido investigando a fondo sobre esta forma de producir energía para que en el futuro se presenten menos consecuencias y para que esta poderosa energía se use para fines benéficos para toda la humanidad.

A pesar de que las la energía nuclear se creó originalmente para fines benéficos se ha utilizado últimamente en contra de la humanidad, existen infinidad de armas peligrosas que amenazan con acabar con muchas vidas inocentes al desatarse una guerra

El conocimiento de los efectos biológicos de la radiación se ha desarrollado en paralelo al de sus aplicaciones, tratando de encontrar el justo equilibrio entre ventajas e inconvenientes.
Muchas incógnitas iniciales están resueltas, pero otras siguen investigándose ya que la interacción con la materia viva se rige por mecanismos complejos en los que intervienen otros muchos factores.

Para conocer sobre las centrales nucleares, es necesario primero aprender sobre los principios básicos en los que de basan para la generación de este tipo de energía. Por eso se encuentran a continuación estos conceptos básicos de física nuclear.

- El átomo
- Isótopos
- Fuerzas nucleares
- Núcleo atómico y radioactividad
- Liberación de energía nuclear
- Fusión nuclear
- Reacción en cadena

El átomo



En la antigua Grecia, la palabra “átomo” se empleaba para referirse a la parte de materia más pequeña que podía concebirse. Esa “partícula fundamental”, se consideraba indestructible. De hecho, átomo significa en griego “no divisible”.

El conocimiento del tamaño y la naturaleza del átomo avanzó muy lentamente a lo largo de los siglos ya que la gente se limitaba a especular sobre él, con la llegada de la ciencia experimental en los siglos XVI y XVII, los avances en la teoría atómica se hicieron más rápidos.

Los químicos se dieron cuenta muy pronto de que todos los líquidos, gases y sólidos pueden descomponerse en elementos. Por ejemplo, se descubrió que la sal se componía de dos elementos diferentes, el sodio y el cloro, en tanto que, el aire, es una mezcla de los gases nitrógeno y oxígeno.

Actualmente, sabemos que el átomo está formado por un pequeño núcleo, cargado positivamente, rodeado de electrones. El núcleo, que contiene la mayor parte de la masa del átomo, está compuesto a su vez de neutrones y protones, unidos por fuerzas nucleares muy intensas, mucho mayores que las fuerzas eléctricas que ligan los electrones al núcleo; respecto al tamaño y masa del átomo, por ejemplo, tenemos que el hidrógeno (el más ligero de todos), tiene un diámetro de aproximadamente 10-10 m (0,0000000001 m) y una masa alrededor de 1.7 × 10-27 Kg (la fracción de un kilogramo representada por 17 precedido de 26 ceros y un punto decimal). Un átomo es tan pequeño que una sola gota de agua contiene más de mil trillones de átomos

Isótopos



Una especie atómica viene definida por dos números enteros: el número de protones que hay en el núcleo y el número total de protones más neutrones. El primero, llamado número atómico, Z, define el elemento químico al que pertenece el átomo; es decir, independientemente del número de neutrones que posean, todos los átomos que tienen un protón son átomos de hidrógeno, todos los que tienen ocho protones son átomos de oxígeno, etc. El segundo número, denominado número másico, A, es el número entero más próximo a la masa (expresada en unidades de masa atómica) del átomo en cuestión; es decir, todos los átomos con A igual a 2 tienen una masa de, aproximadamente, 2 unidades másicas; los que tienen A = 235, tienen una masa de unas 235 unidades de masa atómica.

Ocurre que existen varias especies atómicas (o clases de átomos) que tienen el mismo número atómico pero poseen números másicos distintos. Esto significa que, dentro de cada elemento químico, existen varias especies atómicas que difieren en su masa atómica. Estas especies de un mismo elemento se llaman isótopos, nombre que alude (isos: igual; topos: lugar) a que estos átomos ocupan el mismo lugar en la tabla periódica de los elementos. Por ejemplo, el hidrógeno tiene tres isótopos: el isótopo con A=1, denominado protio (que carece de neutrones); el isótopo con A=2, llamado deuterio (que posee 1 neutrón); y los isótopos con A=3, denominado tritio (que posee 2 neutrones).

Fuerzas nucleares



La teoría nuclear moderna se basa en la idea de que los núcleos están formados por neutrones y protones que se mantienen unidos por fuerzas “nucleares” extremadamente poderosas. Para estudiar estas fuerzas nucleares, los físicos tienen que perturbar los neutrones y protones bombardeándolos con partículas extremadamente energéticas. Estos bombardeos han revelado más de 200 partículas elementales, minúsculos trozos de materia, la mayoría de los cuales, sólo existe durante un tiempo mucho menor a una cienmillonésima de segundo.

Este mundo subnuclear salió a la luz por primera vez en los rayos cósmicos. Estos rayos están constituidos por partículas altamente energéticas que bombardean constantemente la Tierra desde el espacio exterior; muchas de ellas atraviesan la atmósfera y llegan incluso a penetrar en la corteza terrestre. La radiación cósmica incluye muchos tipos de partículas, de las que algunas tienen energías que superan con mucho a las logradas en los aceleradores de partículas. Cuando estas partículas de alta energía chocan contra los núcleos, pueden crearse nuevas partículas.

Entre las primeras en ser observadas estuvieron los muones (detectados en 1937). El muón es esencialmente un electrón pesado, y puede tener carga positiva o negativa. Es aproximadamente 200 veces más pesado que un electrón. La existencia del pión fue profetizada en 1935 por el físico japonés Yukawa Hideki, y fue descubierto en 1947.

Según la teoría más aceptada, las partículas nucleares se mantienen unidas por “fuerzas de intercambio” en las que se intercambian constantemente piones comunes a los neutrones y los protones. La unión de los protones y los neutrones a través de los piones es similar a la unión en una molécula de dos átomos que comparten o intercambian un par de electrones común. El pión, aproximadamente 270 veces más pesado que el electrón, puede tener carga positiva, negativa o nula.

Núcleo atómico y la radioactividad



Una serie de descubrimientos importantes realizados hacia finales del siglo XIX dejó claro que el átomo no era una partícula sólida de materia que no pudiera ser dividida en partes más pequeñas.

En 1895, el científico alemán Wilhelm Conrad Roentgen anunció el descubrimiento de los rayos X, que pueden atravesar láminas finas de plomo.

En 1897, el físico inglés J. J. Thomson descubrió el electrón, una partícula con una masa muy inferior al de cualquier átomo.

En 1896, el físico francés Antoine Henri Becquerel comprobó que determinadas sustancias, como las sales de uranio, generaban rayos penetrantes de origen misterioso.

El matrimonio de científicos franceses formado por Marie y Pierre Curie aportó una contribución adicional a la comprensión de esas sustancias “radiactivas”. Como resultado de las investigaciones del físico británico Ernest Rutherford, se demostró que el uranio y algunos otros elementos pesados, como el torio o el radio, emiten tres clases diferentes de radiación, inicialmente denominadas rayos alfa (a), beta (b) y gamma (g).

La radiación es un fenómeno, inicialmente natural, según el cual determinados cuerpos emiten energía mediante ondas electromagnéticas o mediante partículas.

Existen, básicamente, dos grandes tipos de radiaciones: las ionizantes, denominadas así porque al incidir sobre la materia viva o inerte son capaces de producir iones, es decir, átomos con carga eléctrica, y las no ionizantes, que no producen ese efecto, como es el caso de las radiofrecuencias, las microondas o las radiaciones ópticas.

Este apartado se refiere a las radiaciones ionizantes, que siempre producen un cambio en las sustancias sobre las que inciden.

Las propiedades y efectos de las radiaciones son realmente sorprendentes y de ahí que los seres humanos intenten usarlas en numerosas aplicaciones. Estas radiaciones pueden provocar alteraciones en la materia que, aunque pueden ser dañinas, también se utilizan en beneficio del ser humano.

La solución, pues, del uso responsable de la radicación está en el avance del conocimiento y en la búsqueda del equilibrio entre en el beneficio y el perjuicio, conceptos ambos que evolucionan con el tiempo. De cara a este uso responsable, el CSN tiene fijadas competencias relativas a la protección de las personas y del medio ambiente frente a los posibles efectos de este tipo de radiaciones.

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El origen de la radiación está en el núcleo de los átomos, integrado por protones y neutrones. Para que un núcleo sea estable, el número de neutrones debe ser, en la mayoría de los casos, ligeramente superior al de protones. En estos casos, los protones y neutrones están unidos por fuerzas tan fuertes que no puede escapar ninguna partícula. Si es así, todo irá bien y el núcleo seguirá estando equilibrado y tranquilo.

Las cosas son muy distintas cuando el número de neutrones se desestabiliza. Entonces, el núcleo tiene exceso de energía y no puede mantenerse unido. Tarde o temprano, descarga esa energía, ya sea en forma de ondas electromagnéticas o como chorros de partículas. Esta energía es la radiación y el fenómeno, por el que un átomo inestable emite su exceso de energía, se denomina desintegración radiactiva.

Los núcleos ligeros, con pocos protones y neutrones, se estabilizan después de una desintegración. Por el contrario, cuando se desintegra un núcleo pesado, como el del uranio o el del radio, el núcleo resultante puede seguir siendo pesado e inestable, por lo que la estabilidad definitiva no se alcanza más que después de varias desintegraciones.

El ejemplo más clásico es el del uranio 238, que posee 92 protones y 146 neutrones. Cuando se desintegra pierde dos neutrones y dos protones, lo que origina un núcleo hijo de torio 234, que tiene 90 protones, también es inestable y que, mediante una nueva desintegración, se convierte en protactinio. Al final de este proceso secuencial, tras la decimocuarta desintegración, aparece por fin un núcleo estable: el plomo.

El término radiactividad define la capacidad de una sustancia dada de emitir radiación, pero no da una idea de la intensidad de la radiación emitida ni de los posibles riesgos para la salud. Para ello se utiliza la unidad de actividad, el becquerel.

En 1919, Rutherford expuso gas nitrógeno a una fuente radiactiva que emitía partículas alfa. Algunas de estas partículas colisionaban con los núcleos de los átomos de nitrógeno. Como resultado de estas colisiones, los átomos de nitrógeno se transformaban en átomos de oxígeno.

El núcleo de cada átomo transformado emitía una partícula positivamente cargada. Se comprobó que esas partículas eran idénticas a los núcleos de átomos de hidrógeno y se les denominó protones. Las investigaciones posteriores demostraron que los protones forman parte de los núcleos de todos los elementos.

No se conocieron más datos sobre la estructura del núcleo hasta 1932, cuando el físico británico James Chadwick descubrió en el núcleo otra partícula, el neutrón, que tiene casi exactamente la misma masa que el protón pero carece de carga eléctrica. Entonces se vio que el núcleo está formado por protones y neutrones. En cualquier átomo dado, el número de protones es igual al número de electrones y, por tanto, al número atómico del átomo.

Liberación de energía nuclear



En 1905, Albert Einstein desarrolló la ecuación que relaciona la masa y la energía
como parte de su teoría de la relatividad especial.

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Dicha ecuación afirma que una masa determinada (m) está asociada con una cantidad de energía (E) igual a la masa multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz (c). Una cantidad muy pequeña de masa equivale a una cantidad enorme de energía. Como más del 99% de la masa del átomo reside en su núcleo, cualquier liberación de grandes cantidades de energía atómica debe provenir del núcleo.

Hay dos procesos nucleares que tienen gran importancia práctica porque proporcionan cantidades enormes de energía:

fisión nuclear: la escisión de un núcleo pesado en núcleos más ligeros
fusión termonuclear: la unión de dos núcleos ligeros (a temperaturas extremadamente altas) para formar un núcleo más pesado.

El físico estadounidense de origen italiano Enrico Fermi logró realizar la fisión en 1934, pero la reacción no se reconoció como tal hasta 1939, cuando los científicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann anunciaron que habían fisionado núcleos de uranio bombardeándolos con neutrones. Esta reacción libera a su vez neutrones, con lo que puede causar una reacción en cadena con otros núcleos. En la explosión de una bomba atómica se produce una reacción en cadena incontrolada. Las reacciones controladas, por otra parte, pueden utilizarse para producir calor y generar así energía eléctrica, como ocurre en los reactores nucleares.

La fusión termonuclear se produce en las estrellas, entre ellas el Sol, y constituye su fuente de calor y luz. La fusión incontrolada se da en la explosión de una bomba de hidrógeno. En la actualidad, se está intentando desarrollar un sistema de fusión controlada.


Fisión nuclear



Es la reacción por la cual ciertos núcleos de elementos químicos pesados se escinden (fisionan) en dos fragmentos por el impacto de un neutrón, emitiendo a su vez varios neutrones y liberando en el proceso gran cantidad de energía que se manifiesta en forma de calor. La reacción nuclear por fisión la descubrió O. Hahn y F. Straaman en 1938, cuando detectaron la presencia de elementos de pequeñas masas en una muestra de uranio puro irradiada por neutrones.

Los neutrones que resultan emitidos en la reacción de fisión pueden provocar a su vez y en determinadas circunstancias nuevas fisiones en otros núcleos, a esto se le llama reacción en cadena.

Para conocer en qué condiciones puede tener lugar la reacción de fisión nuclear en cadena, es preciso estudiar las vicisitudes que siguen los neutrones producidos en la fisión. Si imaginamos un neutrón que reacciona con un núcleo de uranio 235, dará lugar a su fisión, proceso en el que como promedio se liberan 2,5 neutrones. Una parte de los neutrones producidos dará lugar a nuevas fisiones; otra parte será absorbida por núcleos de otros elementos presentes en el sistema, sin dar lugar a fisiones; una última parte escapará al exterior, sin que tampoco origine nuevas fisiones.

Si el número de neutrones del primer grupo es igual a la unidad se habrá obtenido una reacción autosostenida y con un número constante de fisiones por unidad de tiempo, ya que cada neutrón que produjo inicialmente una fisión dará lugar a otro neutrón útil para continuar el proceso. Se dice, entonces, que el sistema forma un conjunto crítico. Si el número de neutrones útiles para producir nuevas fisiones fuera mayor que la unidad, el número de fisiones por unidad de tiempo sería creciente y tendríamos un conjunto hipercrítico. Si, por el contrario, fuera menor que la unidad, la reacción decrecería con el tiempo y acabaría deteniéndose; el conjunto recibe el nombre de subcrítico.

Un conjunto será crítico, hipercrítico o subcrítico dependiendo de la proporción relativa de neutrones en cada uno de los tres grupos, lo que es función de la concentración de átomos de U-235 en el medio, de la concentración y naturaleza de los restantes nucleicos presentes, y de la relación entre volumen y superficie del medio donde tiene lugar la reacción.

El hecho de que la fisión pueda dar lugar a una reacción de fisión nuclear en cadena permite que, una vez iniciada ésta, se mantenga por sí misma, lo que significa que puede obtenerse una producción de energía en régimen estacionario. La consecuencia práctica es que la fisión es una reacción nuclear que puede servir como fuente de energía para cubrir necesidades energéticas de la sociedad. Esto es semejante, en un proceso nuclear, a lo que ocurre con las reacciones químicas de combustión, que también sirven como fuentes de energía porque una vez iniciada la combustión del carbón o del petróleo, la reacción se mantiene por sí misma sin necesidad de ninguna acción exterior.


Fusión nuclear



La liberación de energía nuclear puede producirse en el extremo bajo de la curva de energías de enlace a través de la fusión de dos núcleos ligeros en uno más pesado.

La energía irradiada por el Sol se debe a reacciones de fusión de esta clase que se producen en su interior a gran profundidad. A las enormes presiones y temperaturas que existen allí, los núcleos de hidrógeno se combinan a través de una serie de reacciones y producen casi toda la energía liberada por el Sol. En estrellas más masivas que el Sol, otras reacciones llevan al mismo resultado.

La fusión nuclear artificial se consiguió por primera vez a principios de la década de 1930, bombardeando un blanco que contenía deuterio (el isótopo de hidrógeno de masa 2) con deuterones (núcleos de deuterio) de alta energía mediante un ciclotrón. Para acelerar el haz de deuterones se necesitaba una gran cantidad de energía, de la que la mayoría aparecía como calor en el blanco. Eso hacía que no se produjera una energía útil neta.

En las reacciones de fisión el neutrón, que no tiene carga eléctrica, puede acercarse fácilmente a un núcleo fisionable (por ejemplo, uranio 235) y reaccionar con él. En una reacción de fusión típica, en cambio, cada uno de los dos núcleos que reaccionan tiene una carga eléctrica positiva, y antes de que puedan unirse hay que superar la repulsión natural que ejercen entre sí, llamada repulsión de Coulomb.

Los materiales ordinarios no pueden contener un plasma lo suficientemente caliente para que se produzca la fusión. El plasma se enfriaría muy rápidamente, y las paredes del recipiente se destruirían por las altas temperaturas. Sin embargo, como el plasma está formado por núcleos y electrones cargados, que se mueven en espiral alrededor de líneas de campo magnético intensas, el plasma puede contenerse en una zona de campo magnético de la forma apropiada.

Si la energía de fusión llega a ser practicable, ofrecería las siguientes ventajas:

1). Una fuente ilimitada de combustible, el deuterio procedente de los océanos;
2). Imposibilidad de un accidente en el reactor, ya que la cantidad de combustible en el sistema es muy pequeña
3). Residuos mucho menos radiactivos y más sencillos de manejar que los procedentes de sistemas de fisión.

Las dos características fundamentales de la fisión nuclear en cuanto a la producción práctica de energía nuclear son las siguientes:

F. La energía liberada por la fisión es muy grande. La fisión de 1 kg. de uranio 235 libera 18,7 millones de kilovatios hora en forma de calor. El proceso de fisión iniciado por la absorción de un neutrón en el uranio 235 libera un promedio de 2,5 neutrones en los núcleos fisionados. Estos neutrones provocan rápidamente la fisión de varios núcleos más, con lo que liberan otros cuatro o más neutrones adicionales e inician una serie de fisiones nucleares automantenidas, una reacción en cadena que lleva a la liberación continuada de energía nuclear.

El uranio presente en la naturaleza sólo contiene un 0,71% de uranio 235; el resto corresponde al isótopo no fisionable uranio 238. Una masa de uranio natural, por muy grande que sea, no puede mantener una reacción en cadena, porque sólo el uranio 235 es fácil de fisionar.

F. Es muy improbable que un neutrón producido por fisión, con una energía inicial elevada de aproximadamente 1 MeV, inicie otra fisión, pero esta probabilidad puede aumentarse cientos de veces si se frena el neutrón a través de una serie de colisiones elásticas con núcleos ligeros como hidrógeno, deuterio o carbono. En ello se basa el diseño de los reactores de fisión empleados para producir energía.

Reacción en cadena



Fenómeno generado a partir de los productos de una reacción y hacen que este se prolongue por mucho tiempo, pues la materia prima de la reacción se sigue obteniendo a partir de esta misma.

Esta solo es posible con la presencia de los neutrones, ya que estos son los únicos capaces de llegar al núcleo del átomo sin ser repelidos en la periferia o en al llegar al núcleo por la ausencia de carga eléctrica.

Velocidad de los electrones



A los electrones se les clasifica como lentos o rápidos según la velocidad que lleven al momento de golpear el núcleo atómico.
Los rápidos llevan velocidades por encima de la velocidad de resonancia, es decir 8.000 km/s.
Los lentos alcanzan velocidades de 2.500 m/s.

Reacción nuclear



Una reacción nuclear puede representarse esquemáticamente en la forma:

a + X ————-> Y + b

donde X e Y son los núcleos inicial y final, a es la partícula empleada como proyectil y b la partícula emergente. Para que ocurra la reacción es necesario que la partícula a tenga una energía suficiente para producirla. En las primeras reacciones nucleares realizadas en el laboratorio se emplearon como proyectiles partículas procedentes de una desintegración radiactiva. Más adelante se construyeron los llamados aceleradores de partículas, donde la energía necesaria se obtiene mediante la acción de campos eléctricos o magnéticos.

Un criterio ampliamente usado para clasificar las reacciones nucleares consiste en definirlas sobre la base de las dos partículas incidente y emergente, a y b. Así, se habla de reacciones (n, p) en las que la partícula incidente es un neutrón y la emergente un protón, etc.

Cuando no existían aún los aceleradores, se utilizaba como proyectil la radiación alfa de una desintegración radiactiva; los trabajos de Rutherford en los primeros decenios de este siglo se centraron en este tipo de reacciones. La construcción de aceleradores de partículas permitió el empleo de otros proyectiles cargados, principalmente protones. En 1934 el físico italiano Enrico Fermi concibió la idea de emplear el neutrón como proyectil y el grupo de investigadores dirigido por él, estudió sistemáticamente las reacciones entre neutrones y los diversos elementos de la tabla periódica. En una de estas reacciones, la que tiene lugar entre el uranio235 y el neutrón, en los últimos días de 1938 Otto Hahn descubrió la fisión.
Entre los tipos más importantes de reacciones nucleares debemos citar:


- Dispersión:



En ellas la partícula es de la misma naturaleza que el proyectil. Todo ocurre como si éste hubiese rebotado contra el blanco, aunque nadie podría asegurar que la partícula emergente sea la misma que incidió. Cuando la energía cinética total de los productos originales es igual a la de los productos finales de la reacción se dice que se trata de una dispersión elástica. Si, por el contrario, la energía cinética total de los productos de reacción es menor que la inicial, diremos que es una dispersión inelástica. En este caso, la diferencia entre ambas energías es absorbida por el blanco, el cual queda excitado.

- Captura:



En esta reacción la partícula incidente es absorbida por el blanco sin que se produzca ninguna partícula emergente, con la excepción de fotones gamma.

- Fisión:



En este tipo de reacción, un núcleo pesado se rompe en, generalmente, dos fragmentos cuyos tamaños son del mismo orden de magnitud, lo que va acompañado de una emisión de neutrones y radiación gamma, con la liberación de una gran cantidad de energía. Aunque existen casos de fisión espontánea o de fisión por captura de un fotón, la reacción se produce normalmente por la captura de un neutrón.

- Fusión nuclear:



Es una reacción entre dos núcleos de átomos ligeros en la que se produce un núcleo de un átomo más pesado, unido a la liberación de partículas elementales y de una gran cantidad de energía.

La energía liberada en el Sol y en las estrellas proviene de reacciones de fusión nuclear.

Ciclo del combustible



Se conoce como Ciclo del Combustible Nuclear al conjunto de operaciones necesarias para la fabricación del combustible destinado a las centrales nucleares, así como al tratamiento del combustible gastado producido por la operación de las mismas.

En el caso del uranio, el ciclo cerrado incluye la minería, la producción de concentrados de uranio, el enriquecimiento (si procede), la fabricación de los elementos combustibles, su empleo en el reactor y la reelaboración de los elementos combustibles irradiados, para recuperar el uranio remanente y el plutonio producido, separando ambos de los residuos radiactivos de alta actividad que hay que evacuar definitivamente.

Si el combustible irradiado no se reelabora es considerado en su totalidad como residuo radiactivo, lo que se denomina ciclo abierto, con lo que no se completa el denominado ciclo del combustible nuclear.

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LAS CENTRALES NUCLEARES



Las centrales nucleares son centrales termoeléctricas, una instalación que aprovecha una fuente de calor para convertir en vapor de a alta temperatura un líquido que circula por un conjunto de conductos; dicho vapor acciona un grupo turbina alternador, produciendo así la energía eléctrica. La diferencia esencial con entre las centrales termoeléctricas nucleares y las clásicas reside en la fuente de calor, en las clásicas este se consigue mediante la combustión de fuel - oil, carbón o gas en una caldera. En las nucleares mediante la fisión de núcleos de uranio.

Los reactores nucleares son máquinas que permiten iniciar, mantener y controlar una reacción en cadena de fisión nuclear

Aplicación


La principal aplicación es generar energía eléctrica para el uso normal de millones de personas en todo el mundo en las actividades diarias, generar energía para el movimiento de submarinos, motores

La energía nuclear tiene diversas aplicaciones entre las cuales encontramos el desarrollo de tecnología utilizando las radiaciones para acabar con algunas enfermedades, para acabar con plagas en los cultivos. Claro esta que la parte benéfica de las radiaciones depende de que tipo se use si es radiación ionizante o radiación no ionizante.


Funcionamiento



De forma casi universal la electricidad se produce, gracias a un principio mecánico, haciendo girar el rotor de un alternador. Además de este principio, también se produce una reducida cantidad de electricidad, gracias a un principio físico, en las células fotovoltaicas, y está iniciándose el desarrollo de la producción de electricidad, gracias a un principio químico, en las celdas de combustible.

Para hacer girar el rotor del alternador se pueden utilizar fuerzas mecánicas naturales como la hidráulica o la eólica, las generadas en un motor o, lo que es más general, en una caldera en la que se produce vapor a partir de quemar carbón, fuel-oil, gas, biomasa o un “combustible nuclear”.

La obtención del calor a partir de un combustible nuclear se basa en la ruptura del uranio 235, que puede dividirse bombardeándolo con neutrones. Cuando un neutrón golpea un núcleo U-235, éste se parte en dos y libera una gran cantidad de calor, radiación gamma y dos o tres neutrones nuevos.

En un reactor nuclear, se dispone todo de forma que, cuando se rompe un núcleo, uno de los neutrones liberados golpea otro núcleo de uranio a la velocidad adecuada y hace que también se rompa, y así sucesivamente. Además, la reacción en cadena se controla para que la producción de calor no supere los límites fijados.
El combustible de Uranio o Plutonio es introducido en el reactor bajo la forma de unas barras cilíndricas revestidas con una cubierta metálica. Las barras de combustible deben ser capaces de resistir las altas temperaturas a las que funciona un reactor.

Su calor es extraído por el agente de enfriamiento el cual lo transporta fuera del reactor, donde la cede a otro sistema de generación de vapores que pone en movimiento las turbinas de los generadores de energía eléctrica. El vapor descompresionado posteriormente se envía dentro de un condensador donde se convierte en agua que es nuevamente enviada al generador de vapores. El agua de enfriamiento del condensador es con regularidad sacada de los cursos de agua cercanos.


Componentes de una central nuclear



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Edificio de contención



Se le conoce como la vasija del rector, es la zona en la que se encuentran las barras de combustible y las barras de control rodeadas por el moderador, en una distribución adecuada, de modo que cuando éstas últimas están insertadas la reacción nuclear se detiene. La reacción se inicia al retirar las barras de control.

Los mecanismos de accionamiento de las barras de control están diseñados de tal modo que éstas se inserten (entran) en determinadas circunstancias, dando lugar a lo que se llama parada automática o disparo.

El núcleo está refrigerado por el fluido, casi siempre agua, del circuito principal que actúa además, en la mayoría de los casos, como moderador de los neutrones. El núcleo se contiene en una vasija de presión de acero que está dentro de un blindaje biológico (barrera de hormigón). Estas barreras resisten las cargas que pudieran producir hipotéticos movimientos sísmicos y evitar la salida de la radioactividad al exterior en caso de accidente. Este suele tener una forma esférica o cilíndrica rematada por una cúpula semiesférica. Se pueden encontrar reactores con alturas de 60 m y 40 m de diámetro.

Edificio de manipulación del Combustible



Este sirve tanto para almacenar las nuevas cargas de combustible como para guardar en piscinas el combustible ya utilizado hasta que sea trasladado a un centro de reprocesamiento.

En una central nuclear el combustible es, generalmente, óxido de uranio, un elemento de origen natural que se encuentra con frecuencia en la corteza terrestre.

En todas las centrales que están en funcionamiento en España, se emplea uranio 235 ligeramente enriquecido, con un grado de enriquecimiento que oscila entre el 3% y el 5%.

Este material se encuentra en forma de pastillas cerámicas cilíndricas que se introducen en el interior de una vaina o envoltura metálica de unos 4 metros de longitud, formando las barras de combustible. Dichas barras se agrupan a su vez en haces cuadrados, llamados elementos combustibles.

Centro de reprocesamiento



En el se extraen los materiales aún aprovechables. este sitio y el edificio de contención suelen estar conectados para poder trasladar los elementos radiactivos sin salir de la zona controlada de la central, la cual se encuentra completamente aislada del resto de las dependencias

Sistema de control y protección del reactor



Para vigilar y controlar el funcionamiento del reactor se dispone de instrumentación para medir el flujo neutrónico del reactor, la temperatura y presión del refrigerante y otra serie de parámetros de proceso. Cuando alguno de estos parámetros se desvía del rango normal de operación, actúan los sistemas de control para devolver el parámetro a su rango de operación. En caso de que persista la perturbación y se alcancen unos valores prefijados, actúa automáticamente el sistema de accionamiento de las barras de control que hace que éstas se inserten, extinguiendo la reacción nuclear y dando lugar a lo que se llama parada automática o disparo.

Barras de combustible



Los elementos combustibles se construyen de barras del uranio natural o enriquecido en forma metálica o del óxido, dependiendo del tipo de reactor.

Las barras están contenidas en un material conveniente para evitar que los productos de la fisión se filtren en la secuencia del líquido refrigerador. Este material de la contención varía, encontramos la aleación del magnesio, aleación del circonio, o inoxidable estos pueden ser utilizados dependiendo de la tecnología implicada.

Estas de barras están llenas de uranio, los neutrones se emiten mientras que el material radiactivo que esta dentro se al bombardea con neutrones a una velocidad determinada.

La energía que se crea por el proceso de la fisión es la que da el calor necesario que se transfiere al agua para crear vapor presurizado para mover las turbinas y generar electricidad.

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El combustible nuclear durante su estancia en el núcleo del reactor se encuentra sometido a una elevada irradiación neutrónica, transformándose su constitución a lo largo del tiempo.

Antes de introducir el combustible, se pueden caracterizar tres partes distintas:



a). El propio combustible (UO2).
b). La vaina.
c). Materiales estructurales (rejillas, tubos guía, etc.).

Con la irradiación, estos materiales experimentan las siguientes transformaciones:



a). En el combustible (UO2), fruto de la rotura de los átomos, aparecen productos de fisión (P.F.), que en general son emisores beta y gamma. Por reacciones de captura neutrónica parte del U-235 pasa a U-236 y parte del U-238 se transforma en los elementos pesados, conocidos por transuránidos (TRU), como plutonio, neptunio, americio y curio, caracterizados por ser emisores alfa.

b). A su vez, el plutonio generado (Pu-239) se fisiona en parte, pues es un elemento fisionable (1 g de Pu-239 equivale a 1 g de U-235) y contribuye a la generación de energía y al inventario de los productos de fisión.

c). La aparición del U-236, de los productos de fisión y de los TRU limitan el grado de quemado, aunque aún queden U-235 y plutonio, porque interrumpen la reacción de fisión en cadena al captar neutrones (son venenos neutrónicos) y hay que sacar los elementos del núcleo del reactor y sustituirlos por nuevos en una operación que se llama recarga, en la que se renueva entre un tercio y un cuarto del número total de elementos que hay en el núcleo. Esta operación se hace, dependiendo del tipo de central, en ciclos de 12, 18 o 24 meses. Los elementos retirados se conocen por combustible irradiado, gastado o quemado.

d). En la vaina y en los materiales estructurales aparecen los denominados productos de activación, formados por reacciones de captura neutrónica por parte de algunos elementos constituyentes de los mismos, dando lugar a elementos radiactivos. El isótopo radiactivo más importante que se forma es el cobalto-60.

Un reactor de 1.000 MW de potencia utiliza entre 20 y 30 t de combustible por año. En el combustible gastado está contenida más del 99,5 % de la radiactividad artificial que se genera en la producción de energía eléctrica en las centrales nucleares.

El combustible gastado contiene los productos de fisión y los elementos transuránidos generados durante el quemado del combustible en el reactor, así como el uranio no consumido (considerando el caso más general de no reelaboración del combustible gastado). Los productos de fisión son emisores gamma y beta, siendo únicamente la radiación gamma la que tiene un poder de penetración grande y, consecuentemente, está presente en el exterior del combustible con un valor que depende del tipo de radisótopo considerado; la radiación beta nunca sale al exterior del combustible. Estos emisores gamma, teniendo en cuenta su periodo de semidesintegración y su energía, en unos 700 años habrán decaído a valores radiactivos de fondo natural.

El uranio no consumido y los elementos transuránidos son, esencialmente, emisores alfa de bajo poder de penetración (tienen las mismas características que los minerales radiactivos); desde el punto de vista de las radiaciones emitidas no constituyen riesgo tras un periodo de almacenamiento de 700 años, al igual que los productos de fisión. Estos elementos, por tanto, son sólo peligrosos si se liberan y encuentran camino para ser inhalados (para lo que es preciso que sean transformados en gases) o ingeridos (para lo que es preciso que entren en la cadena alimentaria de vegetales, animales y personas). Es decir, el impacto de un almacén de residuos de alta actividad, una vez transcurridos 700 años, sería análogo al que puede producir un depósito de seguridad l

Una pieza importante del reactor es el ” asesor “, dentro del cual los neutrones se mueven alrededor de muchos núcleos sin ser absorbidos, gradualmente por el movimiento la energía se va perdiendo.

Algunos reactores utilizan el carbón como su asesor o moderador en la forma de grafito. Otros utilizan agua pesada (deuterio D2O). La base del reactor por lo tanto consiste en un bloque o un tanque del asesor en el cual se inserten las barras de combustible. Para controlar las barras de control del reactor nuclear (el equivalente de dar vuelta para arriba o tragar la llama en una cocina del gas) hechas del boro o del cadmio se insertan cerca de la barra de combustible para absorber los neutrones. Es el desbloquear de estos neutrones de las barras de combustible que permite que la reacción en cadena del proceso de la fisión continúe. Cuando las barras se insertan completamente absorben tan muchos neutrones que la reacción en cadena no puede ser mantenida y las paradas del reactor. Cuando se produce la reacción no se para no más de calor y así que el reactor comienza a refrescarse, disipando el calor latente dentro de él.

Sistema de contención



El edificio de contención o edificio del reactor contiene a éste y el circuito de refrigeración principal. Es un recinto resistente a la presión y está diseñado para prevenir el posible escape de productos radiactivos al exterior, tanto en condiciones normales como en emergencias y para resistir el impacto que pudieran causar los sucesos o accidentes exteriores a la propia central.

Sistema de refrigeración



La reacción nuclear controlada, que tiene lugar en el combustible, desprende gran cantidad de calor. Por ello es necesario extraer ese calor. En primer lugar, porque la obtención del vapor que mueva la turbina es la finalidad última del reactor y, en segundo lugar, para evitar el calentamiento progresivo del núcleo, lo que podría llegar a producir, en caso de fallo de los diversos sistemas de refrigeración, su fusión y consiguiente destrucción.

Para la seguridad nuclear es esencial mantener en cualquier circunstancia la refrigeración del núcleo para extraer el calor generado por el combustible.
En operación normal, el calor del núcleo se extrae mediante el circuito principal. En un reactor, de agua a presión (PWR) ese es el circuito primario; en un reactor de agua en ebullición (BWR), es el circuito agua-vapor.

Tras la parada del reactor éste sigue generando calor, aunque ya no haya fisiones, por el calor residual de los productos de fisión. Ese calor se evacua por medio de un circuito especial con bombas y cambiadores, lo que constituye un circuito de seguridad.

Salvaguardias tecnológicas



Son los sistemas de seguridad previstos para actuar en caso de accidente, con el fin de evitar o limitar la liberación de sustancias radiactivas al exterior. Estos sistemas realizan la refrigeración de emergencia del núcleo y el aislamiento del edificio de contención. Están diseñados con redundancia, diversidad, y separación física entre sistemas redundantes que realizan la misma función, a fin de que el fallo en uno de ellos no pueda afectar a los demás y dotarlos de máxima fiabilidad.

Sala de control



Es el recinto dentro de la central nuclear desde el que se controla y activan, de forma remota, los equipos de producción de energía y de seguridad de la central.

- Asimismo cuanta con otras dependencias, como el tratamiento de aguas, almacenamiento temporal de residuos, laboratorios, talleres y un parque eléctrico propio formado por generadores accionados por grupos diesel que se utiliza en las operaciones de parada segura del reactor en emergencia y en general para ser empleado en toda circunstancia en la que la central no pueda disponer de energía de la red.


CLASIFICACIÓN DE LOS REACTORES



Clasificación general


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A partir del cuadro anterior si se intenta una clasificación el número de reactores que pueden llegar a existir es de 3.744, pero por diversas causas muchos de estos reactores son irrealizables.

Por esto el número de reactores de disminuye mucho y se consideran por el momento 8 reactores característicos.

De acuerdo al material fisionable



Según sean las proporciones del material fisionable y del materia fértil se pueden obtener tres clases de reactores nucleares.

- Reactores simples: en estos se busca ante todo la producción de energía calorífica.

Estos reactores queman uranio natural, con enriquecimiento de Uranio 235.

- Reactores convertidores: estos tienen una función mixta. Utilizan uranio natural y en ellos se transforma en energía calorífica todo el uranio 235 contenidos en el uranio natural, y además convierten una parte del U238 en plutonio 239 para ser utilizado posteriormente en otros reactores adecuados.

- Reactores reproductores: su misión fundamental es producir materiales fisionables a partir de materiales fértiles, es decir que la producción de energía calorífica se estima secundaría e, incluso en algunos reactores se considera pérdida. Los dos materiales fértiles más importantes son el Uranio 238 y el torio 232. El reactor reproductor contiene una carga inicial de uranio 235 o bien de plutonio 239, rodeada de material fértil. De esta manera la carga de combustible inicia la reacción en cadena y se transforma el uranio 238 en plutonio 239, en otro caso el torio 232 en uranio 233.

Casi todos los reactores que existen son reactores heterogéneos, en ellos, los elementos de combustible están aislados entre sí. En los reactores homogéneos, el combustible es una pasta de sulfato de Uranio, Oxido de uranio, aleación uranio - bismuto, etc., introducida en una caldera, esta pasta sirve a la vez como combustible, como moderador y como refrigerante. Solamente puede utilizares combustible enriquecido. Estos reactores están en estudio y solo se han construido de pequeña potencia, con fine experimentales





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