Monografías
Publicar | Monografías por Categorías | Directorio de Sitios | Software Educativo | Juegos Educativos | Cursos On-Line Gratis

 

Centrales nucleares parte 1 - Monografía



 
DESCARGA ESTA MONOGRAFÍA EN TU PC
Esta monografía en formato html para que puedas guardarla en tu pc e imprimirla.



Vínculo Patrocinado




Aquí te dejamos la descarga gratuita
Nota: para poder abrir archivos html solo necesitas tener instalado internet explorer u otro navegador web.




Física nuclear. Fusión. Fisión. Energía. Combustibles. Radiactividad. Series radiactivas. Residuos. Seguridad. Protección. Usos médicos e industriales



1) Física Nuclear



- Estructura del Átomo
- La Equivalencia entre la Masa y la Energía
- Alfa, Beta, Gamma y Neutrones
- Carbono 14
- El Agua Pesada


Estructura del Átomo



Los átomos son demasiado pequeños como para verlos aún con la ayuda de un microscopio convencional. Dentro de este punto . cabrían aproximadamente 4000 millones de átomos, es decir, la cantidad de habitantes que tiene nuestro planeta.
Son los ladrillos elementales que constituyen la materia. Combinándose entre sí forman todas las sustancias que existen en nuestro cuerpo, en nuestro planeta y en el espacio. Las uniones que se establecen entre los átomos son los pilares del mundo en que vivimos. La arquitectura de estas uniones y la estructura misma del átomo son las responsables de las propiedades de las diferentes sustancias. Así, algunas resultan de un color y otras de otro. Con diferente dureza y consistencia. Algunas sirven para transmitir el calor o la electricidad y otras para impedir su propagación.
Diferentes experimentos, comenzados a principios de siglo, nos fueron llevando a comprender, en forma cada vez más completa, cómo es su estructura. Al igual que nuestro sistema solar, los átomos están compuestos, en una descripción simplificada, por un núcleo central muy pequeño y de partículas aún más pequeñas, los electrones, dando vueltas a su alrededor, a gran velocidad. La mayor parte de su volumen es vacío.

El núcleo está compuesto por partículas llamadas protones que tienen carga eléctrica positiva y otras llamadas neutrones, que no tienen carga alguna, fuertemente unidas entre sí.
Los electrones tienen una carga eléctrica negativa. Es el fenómento de atracción entre cargas eléctricas de diferente signo, lo que mantiene a los electrones en las proximidades del núcleo, dispuestos en forma de capas.
Los átomos, en estado normal, tienen la misma cantidad de protones que de electrones, por lo que su carga eléctrica resulta nula.
Si todos los átomos fueran idénticos, el universo estaría formado por una sustancia única, absolutamente homogénea.
Evidentemente no es así. Los átomos compuestos por un número diferente de protones (número atómico) representan diferentes elementos químicos. A fines del siglo pasado los químicos descubrieron que existen en la naturaleza 92 elementos químicos diferentes. El Hidrógeno es el más liviano de todos ellos, con un sólo protón, y el Uranio el más pesado con 92 protones.
Los isótopos son átomos que teniendo el mismo número de protones, tienen diferente cantidad de neutrones. Así como el número atómico caracteriza a elementos diferentes, el número másico: la suma de protones y neutrones que hay en el núcleo, caracteriza isótopos diferentes.

La Equivalencia entre la Masa y la Energía



Mediante técnicas muy precisas es posible determinar la masa de un núcleo atómico formado por N neutrones más Z protones, es decir por A (=N+Z) nucleones. También se pueden medir la masa de un protón aislado y la de un neutrón aislado. La sorpresa es que la masa del núcleo resulta siempre menor que la suma de las masas de los nucleones que lo constituyen.

La masa que falta no ha desaparecido sino que, como lo establece la famosa relación de Einstein ” E = mc2 “, se transforma en energía. Einstein dice, y tiene razón!, que la energía de un cuerpo (E) es igual a su masa (m) multiplicada por la velocidad de la luz (c) al cuadrado. En nuestra desaparición de masa la energía que aparece es llamada energía de unión y representa el trabajo que debe hacerse para disociar el núcleo y separar todos los nucleones que lo constituyen.

La energía de unión por nucleón, equivalente a la pérdida de masa por nucleón, es pequeña para núcleos livianos (cerca del Hidrógeno), se hace máxima para núcleos medios (cerca del Hierro) y se vuelve a achicar para núcleos pesados (Plomo, Uranio). Esto indica que los núcleos más difíciles de disociar son justamente los núcleos medios, ya que su pérdida de masa por nucleón es la más grande.

Toda transformación de núcleos que conduzca a la formación de núcleos intermedios producirá entonces energía. La energía liberada es la energía nuclear y estas transformaciones se denominan reacciones nucleares.

A lo largo de millones y millones de siglos las reacciones nucleares se van produciendo en el universo y esto explica por qué las estrellas más viejas tienen mucho Hierro.

Alfa, Beta, Gamma y Neutrones



Al igual que nuestro sistema solar, los átomos están compuestos, en un modelo simplificado, por un núcleo central muy pequeño y de partículas aún más pequeñas, los electrones, dando vueltas a su alrededor, a gran velocidad.

El núcleo está compuesto por partículas llamadas protones que tienen carga eléctrica positiva y otras llamadas neutrones, que no tienen carga alguna, fuertemente unidas entre sí.

Los núcleos que tienen la misma cantidad de protones y de neutrones son “estables”; mientras que los que tienen cantidades muy diferentes son “inestables”. Estos últimos tienden a transfomarse en otros más estables, a través de diferentes mecanismos conocidos como desintegraciones radiactivas. Estos procesos espontáneos tienen asociados la emisión de diferentes partículas o rayos, de acuerdo a las características de los diferentes núcleos. Fueron observados por primera vez en 1896 al verificar que un trozo de mineral de Uranio velaba las placas fotográficas al ser colocado encima de ellas. Más tarde los esposos Curie descubrieron el Polonio y el Radio, elemento este último un millón de veces más radioactivo que el Uranio.

Consideremos los diferentes decaimientos, de acuerdo a las características nucleares:

1) Si hay un exceso de neutrones, los núcleos se hacen más estables emitiendo un neutrón, o bien, más frecuentemente, formando y emitiendo una partícula beta (Beta-), esto es, un electrón. La formación de esta partícula se produce a través de la transformación de un neutrón del núcleo en un protón y un electrón, junto a una partícula sin carga ni masa llamada neutrino. El nuevo núcleo tiene, entonces, un neutrón menos y un protón más.

2) Si hay un exceso de protones, en núcleos livianos, el núcleo se hace más estable a través de la transformación de un protón en un neutrón y un positrón (electrón con carga positiva), abandonando este último el átomo (Beta+). El nuevo núcleo tiene, entonces, un protón menos y un neutrón más.

3) Si hay un exceso de protones en núcleos pesados, entonces alcanzan la estabilidad nuclear emitiendo una partícula Alfa, compuesta por dos protones y dos neutrones fuertemente unidos. El nuevo núcleo tiene entonces dos protones y dos neutrones menos.

Al formarse un nuevo núcleo, como consecuencia de uno o varios de los procesos anteriores, este puede decaer también a un estado aún más estable (fundamental), conservando su número de protones y neutrones, a través de la emisión de ondas electromagnéticas como las de radio o la luz; pero de mayor energía. Mayor aún que la de los rayos X. Son los rayos Gamma.

Estos procesos pueden darse en forma escalonada, con diferente probabilidad de ocurrencia.

En ellos se verificó, por primera vez, la equivalencia entre masa y energía hallada por Albert Einstein a comienzos de siglo. La energía liberada (energía de las partículas y rayos emitidos) está relacionada con la desaparición de masa ocurrida durante la desintegración. La masa del núcleo antes de la desintegración es mayor que la masa del núcleo y partículas emitidas después de la desintegración. La masa y la energía no se conservan por separado, sino la suma de ambas.

Carbono 14



El Carbono-14 (14C) es un isótopo inestable del carbono. Su núcleo está compuesto de 6 protones + 8 neutrones y tiene una vida media de 5730 años. Este radionucleido se produce naturalmente en la atmósfera por la interacción de los rayos cósmicos con el nitrógeno del aire:
102465.gif

El 14C se incorpora a los organismos vivientes conjuntamente con los dos isotópos estables del carbono, 12C y 13C. Al morir el organismo ya no hay incorporación de 14C, y el conjunto de los núcleos de 14C presentes en el organismo decaen a 14N con una vida media de 5730 años. La concentración de 14C en los organismos vivientes es conocida, por lo tanto, la disminución de la población de estos átomos da información del lapso transcurrido desde la muerte del organismo al presente. Este fenómeno es utilizado en arquelogía y geología para realizar dataciones y establecer fechas dentro de los últimos 500 a 20.000 años.
Este radionucleido, juntamente con el potasio y el radón, son los principales responsables de la dosis proveniente de fuentes naturales recibida por el ser humano.

Agua pesada y Agua común



Cuando observamos el núcleo de un átomo nos damos cuenta que está formado por protones y neutrones. Todos los átomos que existen están constituídos de la misma manera: un núcleo con protones y neutrones alrededor del cual orbitan tantos electrones como protones hay en el núcleo.

Los protones y neutrones, llamados nucleones, son como ladrillos que sirven para construir todos los núcleos. Los protones tienen carga positiva y los neutrones no tienen carga.

El núcleo más sencillo de todos es el que tiene 1 protón: es el Hidrógeno. Como tiene un sólo nucleón lo llamamos Hidrógeno 1. Otro ejemplo conocido es el núcleo que tiene 8 protones y 8 neutrones: es el Oxígeno 16, (porque 8 protones + 8 neutrones = 16 nucleones). Todos lo átomos de hidógeno tienen 1 protón, todos los átomos de oxígeno tienen 8 protones y todos los núcleos de los átomos de un mismo elemento tienen la misma cantidad de protones.

Lo que no siempre es igual para el mismo elemento es el número de neutrones. Por ejemplo, algunos núcleos tienen 1 único protón (por lo tanto son núcleos de Hidrógeno) pero además tienen 1 neutrón. Estos núcleos de Hidrógeno tienen entonces 2 nucleones y pesan el doble que los originales: deberíamos llamarlos Hidrógeno 2, pero los llamamos

Deuterio. (Deu<>dos)

A los núcleos que tienen la misma cantidad de protones, es decir que son del mismo elemento, pero que tienen distinta cantidad de neutrones, es decir pesan distinto, se los llama Isótopos de ese elemento. Hidrógeno y Deuterio son entonces Isótopos del Hidrógeno.

Cuando dos átomos de Hidrógeno 1 reaccionan con un átomo de Oxígeno, se forma la molécula de Agua, cuya conocida fórmula es H2O. La cantidad total de nucleones de esta molécula es:

1 (de un hidrógeno) + 1 (del otro hidrógeno) + 16 (del oxígeno) = 18

Si en lugar del Hidrógeno 1 usamos el Deuterio (Hidrógeno 2) para fabricar la molécula de agua esta nueva molécula se llamará D2O. La cantidad total de nucleones de esta molécula es:

2 (de un deuterio) + 2 (del otro deuterio) + 16 (del oxígeno) = 20

Es decir, esta molécula de agua tiene 20 nucleones en lugar de 18. Es agua pero pesa más por lo que la llamamos Agua pesada.

Contrariamente a lo que se cree, el agua pesada no es radioactiva. El agua pesada no es un invento del hombre: existe en la naturaleza, forma parte del agua que tomamos, del agua de los mares, de los lagos y de los ríos. De cada 10.000 litros de agua aproximadamente 1 litro y medio es agua pesada.

Algunos reactores nucleares necesitan agua pesada prácticamente pura para poder funcionar. Para obtener agua pesada casi pura se debe extraerla del agua común de río por sistemas muy complejos en instalaciones como la Planta Industrial de Agua Pesada que se encuentra en Arroyito, provincia del Neuquén, a orillas del río Limay.

2) La Fisión y Fusión Nucleares



- La Fusión Nuclear en las Estrellas
- La Fusión Nuclear en Nuestro Planeta
- La Fusión, la Fisión y Reacción en Cadena


La Fusión Nuclear en las Estrellas


La fusión nuclear es el matrimonio de dos núcleos livianos para dar otro núcleo de tamaño mediano, todo ello acompañado por una gran liberación de energía.

Para que la unión suceda, los núcleos livianos, con carga eléctrica positiva, se deben aproximar a distancias extremadamente cortas. Ahora bien sabemos que dos cargas de igual signo se repelen tanto más cuanto más cerca estén una de otra. Para acercar un núcleo al otro suficientemente deben tener una muy grande velocidad, como sucede cuando están a muy altas temperaturas.

La fusión termonuclear sucede en la naturaleza cuando el medio ambiente es extremadamente caliente, como sucede en las estrellas, por ejemplo nuestro Sol. En el centro del Sol la temperatura es de varias decenas de millones de grados, lo que permite la fusión de núcleos livianos. En el Sol los núcleos de Hidrógeno se fusionan para dar Helio. Las reacciones de fusión termonuclear producidas en el centro del sol liberan mucha energía, lo que explica la alta temperatura de este astro. Una muy pequeña parte de esta prodigiosa energía irradiada por el Sol nos llega a la Tierra y es el soporte de la vida en ella. El Sol es un gran reactor nuclear donde la fusión se mantiene permanentemente.

En las estrellas más grandes que el Sol, las temperaturas son todavía mas grandes, lo cual permite la fusión de núcleos más pesados, dando como resultado la producción de nuevos núcleos de Oxígeno, Carbono, y hasta de Hierro.

La Fusión Nuclear en Nuestro Planeta



El hombre busca dominar las reacciones de fusión en la Tierra, para poder aprovechar esta fabulosa energía. Se presentan para ello tres problemas serios: lograr temperaturas similares a las del Sol (decenas de millones de grados), poder mantener esas temperaturas sin que los materiales se volatilicen y mantener la reacción indefinidamente en el tiempo.

El problema no está aún resuelto pero se han hecho progresos muy grandes desde que se ha comenzado con los estudios hace más de 30 años. La reacción de fusión más estudiada es la de dos isótopos del hidrógeno: el deuterio y el tritio, que se aglomeran dando helio, como en el sol.


Dos tipos pricipales de soluciones han sido propuestas:



1.El confinamiento magnético, en el que la masa de hidrógeno es mantenida dentro de un campo magnético, sin tocar las paredes del recinto.

2.El confinamiento inercial, en la que varios cañones laser son enviados sobre una bolilla que contiene la mezcla a fusionar.

La situación actual es promisoria, ya se alcanza a producir la misma energía que se consume durante un tiempo relativamente grande (menos de un segundo!). Se espera que hacia el 2015 ya será posible la explotación comercial de este proceso. El combustible abunda, ya que cada molécula de agua de nuestro planeta tiene 2 átomos de hidrógeno.

La Fusión, la Fisión y Reacción en Cadena


La fusión y la fisión son dos fenómenos que permiten obtener energía nuclear, a continuación desarrollaremos dichos fenómenos :

Fusión.



Supongamos que podemos conseguir el choque de dos átomos de deuterio a gran velocidad (Figura 1). En este, caso los dos núcleos se juntarán por un instante. En circunstancias particulares se puede conseguir que un neutrón salga despedido, mientras que el neutrón restante quede retenido en el nuevo núcleo formado, junto con los dos protónes originales.

Figura 1 : Reacción de fusión.



102466.gif

Se ha producido una reacción nuclear ; veamos ahora las consecuencias . En primer lugar, en nuevo núcleo formado resulta de la fusión de dos núcleos individuales de deuterio menos el neutrón perdido ; por otro lado, como existen dos protónes en el núcleo, se conservan los dos electrónes orbitales cuyas cargas negativas compensan y equilibran las cargas positivas de los protónes nucleares. Es decir que partiendo de dos átomos de deuterio :

102467.gif

hemos llegado a un nuevo cuerpo simple, denominado helio, más un neutrón desprendido ; podemos poner :

102468.gif

y expresando toda la relación

102469.gif

Como el neutrón es una partícula sin carga electrica podemos expresarlo asi

102470.gif

O sea que en definitiva

102471.gif

Hemos partido de dos núcleos de deuterio que se han fusionado en un solo núcleo de helio. La reacción nuclear asi producida se llama fusión. En la práctica resulta muy difícil provocar una reacción nuclear de este tipo pues para conseguirla es absolutamente nesesario que los dos átomos choquen a muy grandes velocidades ; para conseguir éstas velocidades inmensas , espresiso aumentar la temperatura de los átomos, y como resulta que este aumento de la temperatura ha de ser de millones de grados , puede comprenderce muy bien que las dificultades técnicas son casi insuperables, cuando se trata de iniciar y controlar una reacción de este tipo. Sin embargo, como las reservas de combustible para provocar esta reacción (el hidrógeno pesado) son practiocamente inagotables (piénsese que todo el hidrógeno contenido en el agua de los oceanos, que puede convertirce en deuterio facilmente) se ha pensado en la fusión para las futuras centrales nucleares. Por esta razón se están realizando, en varios países, trabajos de investigación para lograr un resultado práctico desde el punto de vista comercial. Por ejemplo, en el centro de investigaciones Atómicas de Harwell, en Inglaterra se ha logrado construir una instalación, denominada ZETA con la que se consigue una temperatura de 5 millones de grados durante unas milésimas de segundo, suficiente para iniciar el proseso de fusión en los átomos de deuterio contenidos en su interior. Pero antes de que se consigan algunnos resultados hbran de transcurrir algunos años.

Fisión.



Mas interesante para nuestro estudio es el proseso inverso al anterior y que se denomina fisión, es decir ruptura, reacción nuclear absolutamente diferente a la fusión, que a pesar del parecido de ambas denominaciones son dos cosas totalmente distintas. En la fisión, al finalizar la reacción quedan más átomos que al principio (mientras que la fusión se trataba de la union de dos átomos). Veamos un caso típico de fisión.
Imaginemos unn neutrón que se mueve a grán velocidad y que choca contra un núcleo de un átomo de uranio 235. Si la velocidad del neutrón es apropiada por efecto de la colición obtendremos un átomo de bario 144, otro átomo de kriptón 90 y dos neutrónes sueltos que se desprenden del núcleo, ademas en esta reacción obtenemos tambien calor.
O sea que podriamos expresarlo de la siguiente forma :

102472.gif

Esta es la reacción más importante que se produce en los reactores nucleares. Fijemonos que un átomo de uranio produce un átomo de bario y un átomo de kriptón, es decir dos átomos en total. Tambien podemos apreciar que el número total de protónes y de neutrónes es el mismo en ambos miembros de la igualdad anterios . En el efecto, al lado izquierdo de la igualdad aparecen 235 partículas nucleares de uranio más el neutrón suelto que provoca la colisión, lo que hace un total de 236 partículas ; y en el lado derecho hay 144 partículas de bario, más 90 partículas de kriptón, más los dos neutrónes sueltos restantes, lo que hace un total de 236 partículas.
De la misma forma, si hicieramos un recuento de protónes, veríamos que hay un total de 92 en ambos lados de la igualdad. Esta propiedad de ser iguales en número las partículas resultantes es una característica común de todas las reacciónes nucleares.
Actualmente, en todos los reactores nucleares se utiliza casi exclusivamente el proseso de fisión de varias sustancias (uranio, plutonio, torio, etc…)

Figura 2 : Reacción de fisión.


102473.gif

Reacción en Cadena.



Despues de la primera fisión o escisión de un núcleo atómico quedan libres, según los casos, uno, dos, tres, o más neutrones que pueden emplearse a su vez para nuevas fisiónes. El efecto es multiplicativo como puede observarse en la figura 3, de tal manera que con un solo neutrón inicial, puede fisionarse una cantidad bastante elevada de materia fisionable, en muy poco tiempo. De esta forma hemos obtenido una reacción en cadena.

Figura 3 : Reacción en cadena.


102474.gif

O sea que la pequeña cantidad de materia que es un neutrón, transmite por el choque al primer núcleo la infinitesima energía cinetica que lleva con sigo, y estos efectos pueden probocar en millonésimas de segundo la descomposición de varios kilos de uranio y la liberación de una cantidad ennorme de energía calorífica (25 millones de KW/h por cada kilogramo de uranio 235).

Recordemos que para probocar la fisión los neutrones tienen que tener una velocidad determina (llamada velocidad de resonancia), si poseen demasiada velocidad o poca, no lograremos la reacción deseada.
Ahora bien, los neutrónes libres procedentes de otras fisiónes nucleares están animados de velocidades superiores a la de resonancia (unos 2000 Km/seg.) ; y por lo tanto no son aptos para probocar nuevas fisiónes nucleares. Por ello hay que frenar o moderar a estos neutrónes para llevarlos a la velocidad de resonancia, para ello se utilizan siertas sustancias (como ser el grafito, el berilio, el agua pesada y el helio)llamados moderadores. Caundo un neutrón choca contra las moléculas de un moderador no proboca la escisión de las mismas, por tratarse de sustancias cuyos núcleos poseen pocas partículas y, por lo tanto, muy dificiles de romper ; pero en el choque las moléculas del moderador absorben parte de la energía cinética que lleva en neutrón y este sale rebotadopero a velocidad inferior a la que traía.
Bien, ahora se nos presenta otro problema, la energía desarrollada de esta forma no es aprobechable industrialmente. Ya hemos dicho que en cuetión de millonésimas de segundo un kilogramo de uranio 235 libera unos 25 millones de KW/h, no es extraño que en las inmediaciones se alcancen temperaturas de millones de grados. Una temperatura tan elevada como esta conseguida en tan corto tiempo no es, ni mas ni menos, que una explosión ; una apocalíptica explosión, y por ahora solo hemos logrado una bomba atómica, equibalente a la que destruyo Hiroyima.
Para aprobechar esta energía calorífica desarrollada hemos de hacer más lenta esta reacción en cadena. El mejor procedimiento es aprovechar menos neutrónes en las fisiónes absorbiendo todos los restantes. Para ello, se utilizan ciertas sustancias que tienen verdadera avidéz por los neutrónes, llamadas reguladores o absorbentes. Entre ellas se encuentran el cadmio y el boro.

3) Reactores Nucleares



- Reactores Nucleares de Potencia
- Los Reactores Fósiles de África
- El Proyecto CAREM
- La Central Nuclear Atucha 1
- La Central Nuclear Embalse
- El Reactor de Investigación
- ¿Podrá explotar el Reactor de Investigacón RA-6 como una Bomba Atómica?

Reactor Nuclear de Potencia



Un reactor nuclear produce calor de la fisión nuclear, en la cual, el núcleo atómico se rompe liberando gran cantidad de energía.

En el núcleo del reactor se produce una reacción en cadena autosostenida, es decir, los neutrones producen fisión liberándose calor y dos o tres neutrones, algunos de los cuales repiten el ciclo.

Las barras de control absorben neutrones y se suben o bajan para controlar las reacciones que ocurren en el núcleo y la cantidad de calor producida.

El tipo mas común de reactores nucleares es el de agua presurizada, también conocido como de doble circuito de agua.

El combustible de un reactor nuclear, por ejemplo el Uranio, está ubicado dentro de unas vainas de un material especial, alrededor de las cuales circula el agua de refrigeración del circuito primario.

El circuito primario bombea agua fría al núcleo del reactor desde donde extrae el calor generado y pasa luego por los tubos del generador de vapor.

Este circuito está presurizado, por lo que el agua permanece líquida aún a las elevadas temperaturas de salida.

En el circuito secundario el agua está a menor presión y se transforma en vapor al pasar por el generador de vapor.

Este vapor es luego enfriado en el condensador por agua proveniente de un gran reservorio como por ejemplo un río o un lago. El agua así condensada es bombeada nuevamente hacia los generadores de vapor completando el circuito.

El vapor producido en el circuito secundario hace girar las turbinas, las que mueven a los generadores eléctricos produciendo la energía eléctrica que es enviada a la red a través de líneas de trasmisión.

Los Reactores Fósiles de África



En realidad, el primer reactor nuclear de la Tierra no fue hecho por el hombre. En 1972 se descubrieron los restos de seis reactores nucleares que funcionaron hace dos mil millones de años en la provincia de Oklo, en la República de Gabón, Africa. Estos reactores funcionaron en forma natural por un periodo de medio millón de años, sin ningún sistema de seguridad ni contención de residuos. Generaron unas 800 toneladas de residuos nucleares, que permanecieron enterrados naturalmente sin ningún efecto para el medioambiente.

Para que un reactor nuclear funcione (”se prenda”) con agua común necesita uranio enriquecido. No puede andar con uranio natural, porque tiene muy poco del isótopo 235 que es el que produce la reacción en cadena. Hace dos mil millones de años el uranio que había en la Tierra estaba más enriquecido que ahora, porque el isótopo 235 va desapareciendo paulatinamente a medida que pasa el tiempo. En la época de los reactores de Oklo, la napas de agua subterránea acumularon uranio en bolsones naturales que se “encendieron” espontáneamente y funcionaron suavemente como si fueran calderas subterráneas que calentaban las napas freáticas. Tenían forma chata, de un metro de espesor y unos 300 m2 de extensión. Cada uno generaba alrededor de 25.000 Watts de potencia.


El Proyecto CAREM



El reactor CAREM (por Central ARgentina de Elementos Modulares) es una planta nuclear de baja potencia (25 MW eléctricos), concebida con un diseño innovativo, de última generación. Sus características originales lo hacen diferente a los reactores nucleares de agua presurizada convencionales, que han estado en operación en las cuatro últimas décadas:

oEl CAREM es un reactor del tipo integrado: todo el sistema primario - núcleo, generadores de vapor, refrigerante primario y domo de vapor - está contenido dentro de un único recipiente de presión. oEl refrigerante del reactor (agua liviana) circula por convección natural. El refrigerante hace también las veces de moderador. oLos sistemas de seguridad son pasivos. No son necesarios generadores eléctricos Diesel de emergencia

Las ventajas técnicas y económicas que se obtienen en el diseño CAREM respecto del tradicional son las siguientes:

- Debido a la ausencia de tuberías de gran diámetro en el circuito primario, no es posible un accidente del tipo pérdida de refrigerante.
- Como resultado del gran inventario de refrigerante en el sistema primario, se obtienen una gran inercia térmica y una respuesta en tiempo amplia para el caso de transitorios o accidentes severos.
- El calor de decaimiento se transfiere a los generadores de vapor por circulación natural, es decir, sin la necesidad de bombas y por consiguiente sin posibilidad de falla.
- El control de calidad, esquemas de construcción y costos, se benefician en gran medida por la eliminación de muchas tareas en el sitio de construcción, debido al prearmado del sistema primario en fábrica (elementos modulares).
- Debido a la eliminación de las bombas del primario y del presurizador se obtienen menores costos, fácil mantenimiento e incremento en la disponibilidad de la planta.

Estas características hacen que el CAREM sea un reactor más seguro y económico. El incremento en la seguridad es el resultado de dos hechos:

- muchos eventos que podrían llevar a condiciones accidentales resultan imposibles de suceder debido al diseño innovativo.
- la confiabilidad de los sistemas de seguridad en el CAREM es mayor que la normal, debido a que dichos sistemas son pasivos y simples.

La contribución de estas dos características implican un riesgo de accidente reducido para la planta, resultando en una probabilidad de accidentes más de diez veces menor a la de diseños convencionales.
El incremento en la seguridad se logra sin incrementar el costo de la generación de energía. A pesar de que el uso de sistemas inherentemente seguros y/o pasivos implica que algunos componentes deban ser de mayor tamaño, el número de válvulas y bombas se reduce, como así también los requerimientos de cableado, entubado e instrumentación. La cantidad necesaria de componentes de seguridad también se reduce. Como resultado, se logra un reactor competitivo en un área anteriormente cerrada a la energía nuclear: la de la generación eléctrica de baja potencia.

El concepto CAREM fue presentado por primera vez en 1984 en Lima, Perú, durante una conferencia del OIEA sobre reactores de pequeño y mediano tamaño. Desde entonces, los criterios de diseño de CAREM y otros similares han sido adoptados por otros diseñadores de plantas nucleares, originando así una nueva generación de reactores, de los cuales el CAREM fue, cronológicamente, uno de los primeros.

El CAREM es un proyecto de CNEA. Las facilidades experimentales y la ingeniería fueron subcontratadas a INVAP, en tanto que CNEA es directamente responsable del desarrollo del elemento combustible.


Esquema de los componentes internos del recipiente de presión del reactor CAREM



102475.gif

1 Mecanismos de las barras de control
2 Chimenea 3.Nivel de agua
4 Generador de vapor
5 Entrada de agua al generador de vapor
6 Salida de vapor del generador de vapor
7 Elemento de control
8 Elemento combustible
9 Núcleo
10 Estructura de soporte del núcleo

Central Nuclear Atucha 1 (CNA1)



La primera planta generadora de energía eléctrica a partir de la fisión nuclear, que empezó a funcionar en el país y en toda Latinoamérica fue la Central Nuclear Atucha 1. Comenzó a operar en 1974.

Ubicación


Se encuentra a orillas del río Paraná de las Palmas, a unos 30 Km de la ciudad de Zárate (Provincia de Buenos Aires), y aproximadamente a 120 Km de Buenos Aires.

Descripción General



La generación de la energía eléctrica está basada en un reactor nuclear de uranio natural, refrigerado y moderado por agua pesada, estos dos sistemas se encuentran contenidos en un recipiente presurizado, el agua pesada caliente proveniente del núcleo (sistema primario de transporte de calor), transmite calor al agua liviana del circuito secundario (a menor presión), en los generadores de vapor, retornando al núcleo impulsada por las bombas principales, mientras que el agua liviana, transformada en vapor, se dirige hacia la turbina, que al ser accionada, produce electricidad, el vapor remanente (degradado) es convertido otra vez en líquido en el condensador, al ser enfriado por agua bombeada desde el río (fuente fría), el agua del secundario es reenviada a los generadores de vapor.

Tanto en estos últimos, como en el condensador, no se mezclan los distintos sistemas.

Como combustible se utiliza dióxido de uranio natural (0,711 % de U-235), en forma de pastillas de 0.54 cm de radio, contenidas en barras de zircaloy (material poco absorbente de neutrones) de 0,55 mm de espesor. Cada elemento combustible está constituido por una barra central y otras 35 dispuestas en 3 coronas. El armado se completa con una barra estructural de zircaloy (que no contiene uranio), ubicada en la corona exterior. La columna de uranio mide 530 cm (longitud activa del núcleo), mientras que el elemento combustible total, tiene una altura de alrededor de 6 metros. Los elementos combustibles se colocan en los canales refrigerantes, cuya pared es de zircaloy, el agua pesada circula entre las barras combustibles, extrayendo el calor generado por las mismas, existen 252 canales. Todo el conjunto de canales esta rodeado por el moderador, contenido en un tanque de acero.

102476.gif
El esquema de la planta fue obtenido del folleto “Central Nuclear Atucha I” elaborado por Siemens-KWU en conmemoración del décimo aniversario de la entrada en servicio de la CNA1, publicado en junio de 1986, bajo el numero 16649 0786 1.5

Control del Reactor



La cantidad de fisiones que se producen por segundo, que están asociadas al nivel de potencia del reactor, se regulan por barras absorbentes de neutrones, que se introducen en el núcleo (en el moderador), desde la parte superior, existiendo 2 tipos distintos de estas barras, tres barras de acero (’banco gris’), y tres de hafnio, material muy absorbente (’banco negro’), dispuestas simétricamente. Ambos bancos , componen las barras de control del reactor.

Apagado del Reactor


En algunas situaciones operativas, es posible detener rápidamente la reacción en cadena (y los procesos de fisión), con la caída de barras de parada, integradas por las 6 de control y otras 21 barras de hafnio (SCRAM, o corte del reactor).

Por seguridad, existe otro sistema de corte, que se introduce automáticamente en la eventualidad de que el reactor no se haya apagado instantáneamente con la caída de las barras, se trata de la inyección de ácido deuterobórico (el boro es un elemento fuertemente absorbente de neutrones), en el moderador, por tres bocas de entrada independientes.

Recambio de Combustible



El uranio, igual que cualquier otro combustible, se va consumiendo con el uso, ‘quemando’, con una paulatina disminución en la producción de neutrones y en la cantidad de fisiones, con la consecuente reducción de potencia, y el apagado final del reactor, por no poder mantenerse la reacción.

Para calcular el grado de consumo o quemado de un elemento combustible, se utiliza básicamente la energía producida por masa de uranio, en general se emplea como unidad de medida el Mwd/Tn.

En los reactores que utilizan uranio enriquecido (mayor cantidad de núcleos de U-235), este proceso es mas lento, por existir un gran ‘excedente’ inicial, con lo cual no se hace necesario reemplazar (’recambiar’) en corto tiempo al combustible. En estos núcleos, el recambio de combustible, total o parcial, se hace masivamente cada 1,5 a 2 años, con el reactor apagado.

En el caso de los reactores de uranio natural, casi no existe ese excedente, y se hace necesario el recambio continuo y
en operación (”on line”).

En la CNA1, en condiciones normales, se cambian entre 1 y 2 elementos combustibles por día de operación a plena potencia, esto representa un consumo anual de alrededor de 400 elementos, si la planta funcionara en forma continua y al 100% de su potencia, este valor se elevaría aproximadamente a 460 combustibles.

En la práctica, para mejorar el consumo, por cada elemento combustible nuevo (’fresco’) que ingresa, se mueven a otras posiciones dentro del núcleo, otros tres , el último de los cuales es extraído del reactor.

También es importante señalar la contribución que tiene en este proceso, el plutonio formado en el núcleo a partir del U-238, este elemento físil, aporta gran parte de las fisiones que se producen a lo largo de la vida útil del elemento combustible.

El procedimiento del recambio, es realizado por una máquina, dirigida por un operador desde la sala de control de la planta.

El traslado del combustible hacia y desde el núcleo, se lleva a cabo bajo agua liviana, que cumple las funciones, tanto de refrigeración, como de blindaje ante las radiaciones provenientes de los elementos combustibles ‘quemados’. Esto permite además, que de ser requerido, un combustible que haya estado en el reactor, pueda ser reenviado al mismo.

Los elementos combustibles extraídos, son depositados en un recinto cerrado y sumergidos en grandes piletas con agua liviana, y pueden permanecer bajo agua por muy largo tiempo, de hecho hasta el presente, todos los combustibles utilizados, siguen en las piletas.

El depósito cuenta con sistemas de refrigeración y blindaje para garantizar la integridad de los elementos, la seguridad del personal encargado del manejo y control de los mismos, y el aislamiento del medio ambiente.

Uso de Uranio Levemente Enriquecido



En la actualidad se encuentra en desarrollo, un plan para la utilización de elementos combustibles con Uranio levemente enriquecido (0,85 % en U-235).

Esto no requiere modificaciones en las instalaciones y traería un ahorro de alrededor de 30% en el costo del combustible.

A pesar de ser una variación muy pequeña en el contenido de U-235, el rendimiento en energía casi se duplica.

Seguridad de la Planta



La central fue diseñada con una amplia filosofía de seguridad. Con relación al núcleo, tanto el instrumental que mide la potencia y su variación en el tiempo, como otras señales concernientes a la seguridad, están al menos triplicadas, y en todos los casos, el cumplimiento de una sola de las tres, determina el corte inmediato del reactor.

También existen dispositivos y sistemas redundantes, para mantener seguro el núcleo aún en el caso de perdida de refrigerante.

El núcleo del reactor no solo está contenido en la vasija presurizada, sino que ésta, se encuentra aislada del exterior por una esfera hermética (de acero), en su interior, como en todos los recintos en los cuales eventualmente podrían haber material radiactivo (gaseoso o en forma de aerosoles), la presión se mantiene por debajo de la atmosférica.

En la planta, tanto en operación como fuera de ella, se cumplen las normas indicadas por el Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA/IAEA), tanto en lo referente a la seguridad de los distintos sectores, como del personal, y a la seguridad pública, incluyendo al medio ambiente.

También el Ente Nacional de Regulación Nuclear (ENREN) mantiene una observación permanente sobre las instalaciones, teniendo poder de policía.

Resumen Cronológico y Antecedentes



- El diseño y la construcción fue realizado por la empresa Siemens, de la República Federal de Alemania.
- La planta a través de un contrato ‘llave en mano’ fue entregada a la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA), su primera propietaria y operadora en 1974.
- Inicialmente su potencia térmica era de 1100 Mw, la misma fue aumentada a 1179 Mw en 1977.
- Primera puesta a critico (arranque inicial, a potencia cero): 13/01/74
- Primera sincronización a la red: 19/03/74
- Recepción por parte de CNEA: 24/06/74
- Llegada a 1100 Mw: 16/11/74
- Llegada al nuevo valor de plena potencia (1179 Mw): 06/05/77

En los primeros tiempos de funcionamiento, la responsabilidad de la operación era compartida entre CNEA -CNA1 y el constructor, posteriormente se asumió en forma plena la conducción de la operación, continuando el asesoramiento por parte del titular del diseño, y fundamentalmente, con la colaboración permanente de los distintos sectores de la CNEA.

A fines de agosto de 1994, el gobierno nacional decidió la creación de la empresa Nucleoélectrica Argentina Sociedad Anónima (NASA), para operar las centrales nucleares existentes, inicialmente esta empresa se formó con los sectores de la CNEA directamente involucrados en la operación de éstas.

La Comisión Nacional de Energía Atómica, continúa con su apoyo al funcionamiento de la CNA1, mediante tareas de desarrollo y en servicios para la central.

Nucleoeléctrica Argentina se encuentra en proceso de privatización, existiendo en el Congreso Nacional, varios proyectos en ese sentido, en la misma situación se hallan las restantes áreas productivas de la CNEA, como los sectores de Combustibles y de Radioisótopos.

Si bien la potencia instalada en la CNA1 corresponde a una central eléctrica mediana, el aporte en energía producida, se encuentra aproximadamente entre el 4% y el 5% del total generado en la red, si se le agrega la energía proveniente de la Central Nuclear Embalse (CNE), la energía eléctrica de origen nuclear, representa alrededor del 15% del total.

Datos técnicos



- Potencia térmica total (producida por el núcleo): 1179 Mw
- Potencia eléctrica bruta (producida por el generador eléctrico): 357 Mw
- Potencia eléctrica neta (entregada a la red, para distribución): 335 Mw
- Presión del sistema primario y del moderador: 115 ata
- Recipiente de presión: de acero, con un diámetro de 5,36 metros, una altura de 12 metros y un espesor de 220 mm.
- Envoltura de seguridad (de acero): Una esfera de 50 m de diámetro, y un espesor de 24 mm, con una presión de diseño de 3,8 atm.
- Diámetro equivalente del núcleo: 454 cm
- Altura: 622 cm
- Diámetro del tanque del moderador: 504 cm
- Masa de uranio: 38,7 Tn (252 elementos cada uno con 0,1535 Tn, valor promedio)

Datos sobre la operación



- Factor de carga 1996 (1): 92,3%
- Factor de carga para los últimos 12 meses (2): 90,7 %
- Factor de carga acumulado 1974/1996 (3): mayor del 70%
- Cantidad de elementos combustibles usados en la pileta: 7.223

(datos al 30/6/96)

1.El factor de carga es la relación entre la energía eléctrica efectivamente producida y la energía máxima posible de generar (a plena potencia), en porcentajes, en este caso corresponde a generación acumulada durante 1996. 2.Idem (1) para el total del los últimos 12 meses (1/7/95-30/6/96 3.Idem (1) para el factor de carga acumulado ‘histórico’, desde comienzos del la operación (1974), incluye el tiempo sin generación eléctrica de las paradas por mantenimiento, reparación, etc.

Los datos técnicos y de operación fueron preparados por CNEA a partir de documentación propia o suministrada por la empresa NASA.





Creative Commons License
Estos contenidos son Copyleft bajo una Licencia de Creative Commons.
Pueden ser distribuidos o reproducidos, mencionando su autor.
Siempre que no sea para un uso económico o comercial.
No se pueden alterar o transformar, para generar unos nuevos.

 
TodoMonografías.com © 2006 - Términos y Condiciones - Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons. Creative Commons License