CENTRAL NUCLEAR
Una central
eléctrica nuclear es una instalación en donde la energía
mecánica que se necesita para mover el rotor del generador y por tanto,
obtener la energía eléctrica, se obtiene a partir del vapor
formado al hervir el agua en un reactor nuclear.
Conceptos básicos de Física Nuclear
El átomo
La
teoría atómica-molecular fue establecida a principios del siglo
XIX; Dalton, Avogadro y Proust fueron sus principales artífices.
Según ella, la materia es discontinua, de tal modo que la menor parte
que se puede obtener de un cuerpo es una molécula. Las moléculas,
a su vez, pueden dividirse en unas entidades menores denominadas átomos;
las moléculas de los cuerpos simples (elementos químicos)
están formadas por átomos iguales entre sí, mientras que
las moléculas de los cuerpos compuestos están formadas por
átomos de dos o más clases. También afirmaba esta
teoría que los átomos eran indivisibles, a lo que alude su nombre
("átomos" significa "no divisible" en griego), y que
todos los átomos de un mismo elemento eran iguales. Por lo tanto,
podemos definir un átomo como "la parte más
pequeña y eléctricamente neutra de que está compuesto un
elemento químico y que puede intervenir en las reacciones
químicas sin perder su integridad". Hoy se conocen 107
elementos químicos distintos algunos de los cuales no existen en la
naturaleza y se han obtenido artificialmente.
Una
serie de descubrimientos que tuvieron lugar en el último tercio del
pasado siglo y primer tercio del presente obligaron a revisar esta
teoría atómica: como La ley periódica de Mendeleiev, Las
teorías sobre la ionización y La radiactividad, dieron lugar a
que, primero, Rutherford y, luego, Bohr y Heisenberg establecieran el modelo
atómico hoy vigente. Según este modelo el átomo no es
indivisible sino que está formado por entidades más
pequeñas, llamadas "partículas elementales" En
el átomo se pueden considerar dos partes:
- Una central o núcleo atómico formada por protones y neutrones.
- Una parte externa o corteza, formada por electrones (hay
tantos electrones en la corteza como protones en el núcleo, por lo
cual el átomo es eléctricamente neutro), los cuales giran
alrededor del núcleo a semejanza de los planetas que giran
alrededor del Sol.
El radio del
átomo es de unos 10-8 cm, y el del núcleo es de 10-13
cm, lo que nos indica que la materia está casi totalmente
vacía.
Partículas elementales
Las
tres partículas elementales que entran a formar parte del átomo
son: el electrón, el protón y el neutrón.
- Electrón
El electrón posee una masa de 9'11·10-31 kg (aproximadamente 1/1800 de la masa del protón) y una carga negativa de 1'602·10-19 C (este valor se toma como unidad en física nuclear). - Protón
El protón tiene una masa de 1'637·10-27 kg y una carga positiva igual en valor absoluto a la carga del electrón. - Neutrón
El neutrón tiene una masa ligeramente inferior a la del protón y carece de carga eléctrica.
Hoy se sabe que el protón y el neutrón no son
esencialmente distintos, sino que son dos estados de una misma partícula
denominada nucleón, de tal modo que un neutrón puede
desintegrarse en un protón más un electrón, sin que ello
signifique que el electrón existiese anteriormente, sino que se forma en
el momento de la desintegración. Análogamente, un protón
puede transformarse en un neutrón para lo que ha de emitir un
electrón positivo (positrón). Otra partícula de gran
importancia en física nuclear es el neutrino, que, aunque carece
de masa y carga, posee energía y cantidad de movimiento.
La existencia del neutrino se dedujo a partir de consideraciones
teóricas que hacían necesaria la existencia de esta
partícula si determinados procesos subatómicos habían de
cumplir las leyes de la física. El estudio de la radiación
cósmica, así como los experimentos que se llevan a cabo en los
aceleradores de partículas, han permitido comprobar la existencia de un
número mucho mayor de partículas elementales, todas ellas de vida
efímera, es decir, que se desintegran en otras; estas partículas
han recibido los nombre de muones, tauones, mesones,
hiperones. El número de partículas elementales descubiertas hasta
la fecha rebasa el centenar. También se sabe que además de cada
partícula existe la antipartícula correspondiente, la cual posee la
misma masa que ella e igual carga pero de signo contrario. Así el
antiprotón es una partícula con la misma masa que el
protón pero cuya carga es una unidad negativa; el antielectrón
(positrón) es igual que un electrón con carga positiva.
Las antipartículas tienen una vida muy corta, ya que cuando se
encuentran con su partícula se aniquilan liberando energía.
Isótopos
Una especie
atómica viene definida por dos números enteros:
- Número
atómico, Z:
Nos indica el número de protones que hay en el núcleo. 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. - Número
másico, A:
Nos da el número de protones más neutrones que hay en el núcleo, o sea, el número de nucleones.
Al ser la unidad de masa atómica (u) muy próxima al valor de la masa del protón, el número másico es el número entero más próximo a la masa (expresada en "u") del átomo en cuestión; es decir, todos los átomos con A=2 tienen una masa atómica de aproximadamente, 2 unidades de masa atómica; los que tienen A=235, tienen una masa de unas 235 unidades de masa atómica.
Ocurre
que existen varias especies atómicas (o clase 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
un neutrón).
- El isótopo con A=3, denominado tritio, que
posee dos neutrones.
Radiactividad
La
radiactividad fue descubierta por el científico francés Antoine
Henri Becquerel en 1896. El descubrimiento tuvo lugar de una forma casi
ocasional: Becquerel realizaba investigaciones sobre la fluorescencia del
sulfato doble de uranio y potasio y descubrió que el uranio
emitía espontáneamente una radiación misteriosa. Esta
propiedad del uranio (después se vería que hay otros elementos
que la poseen) de emitir radiaciones, sin ser excitado previamente,
recibió el nombre de radiactividad.
El
descubrimiento dio lugar a un gran número de investigaciones sobre el
tema. Quizás las más importantes en lo referente a la
caracterización de otras sustancias radiactivas fueron realizadas por el matrimonio, también francés,
Pierre y Marie Curie, quienes descubrieron el polonio y el radio, ambos en
1898. La naturaleza de la radiación emitida y el fenómeno de la
radiactividad fueron estudiados en Inglaterra por Ernest Rutherford,
principalmente, y por Frederick Soddy. Como resultado pronto se supo que la
radiación emitida podía ser de tres clases distintas, a las que
se llamó alfa, beta y gamma, y que al final del proceso el átomo
radiactivo original se había transformado en un átomo de
naturaleza distinta, es decir, había tenido lugar una
transmutación de una especie atómica en otra distinta. Hoy
sabemos que la radiactividad es una reacción nuclear de
"descomposición espontánea", es decir, un núcleo
inestable se descompone en otro más estable que él, a la vez que
emite una "radiación".
El núcleo hijo (el que resulta de la desintegración) puede no ser
estable, y entonces se desintegra en un tercero, el cual puede continuar el
proceso, hasta que finalmente se llega a un núcleo estable. Se dice que
los sucesivos núcleo de un conjunto de
desintegraciones forman una serie radiactiva o familia radiactiva.
Clases de radiaciones
Al
estudiar el fenómeno de la radiactividad, Rutherford descubrió
que la radiación emitida por una desintegración radiactiva
podía ser de tres clases: alfa, beta y gamma; además
también hay que considerar la emisión de neutrones.
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La radiación beta
(b):
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Las
leyes que rigen los distintos tipos de desintegración fueron
descubiertas por Soddy y Fajans. Estas leyes son:
En
la desintegración alfa:
Puesto que se emiten dos protones y dos neutrones, el núcleo hijo
tiene dos protones menos que el padre, lo que significa que ha retrocedido dos puestos en el
sistema periódico y su masa ha disminuido en cuatro unidades.
- En la
desintegración beta negativa:
Como un neutrón se transforma en un protón, el núcleo hijo tiene un protón más que el padre, lo que representa que avanza un puesto en el sistema periódico, y no varía su masa atómica. - En la
desintegración beta positiva:
Ocurre exactamente lo contrario que en la desintegración beta negativa: el núcleo hijo tiene un protón menos que el padre y la misma masa atómica. - La
emisión gamma:
No constituye una desintegración propia sino que se produce acompañando a las radiaciones alfa y beta, o en la desexitación de núcleos que se encontraban en un nivel energético superior al normal de ese núcleo (núcleos excitados). - En la
emisión de un neutrón:
El núcleo hijo es un isótopo del padre con una masa menor en una unidad.
Periodo de semidesintegración,T
La
desintegración de un cuerpo radiactivo es un proceso estadístico;
ello quiere decir que si consideramos un determinado átomo radiactivo no
podemos conocer en qué momento tendrá lugar su
desintegración, pero si tomamos un número muy grande de
átomos de un mismo núcleo, podemos conocer la ley que, como
promedio, sigue el conjunto en su desintegración. Se demuestra que la
probabilidad de que se desintegre un átomo radiactivo permanece
constante a lo largo del tiempo. Ello se traduce en que al desintegrarse una
sustancia radiactiva la cantidad de ella que no se ha desintegrado disminuye
exponencialmente con el tiempo. Se llama periodo de
semidesintegración, T, al tiempo que ha de transcurrir para que la
cantidad de sustancia radiactiva se haya reducido a la mitad. El valor de T
puede variar entre fracciones muy pequeñas de segundos (isótopos
de vida corta) a millones de años (isótopos de vida larga).
Reacciones nucleares
Por
analogía con las reacciones químicas, se llaman reacciones
nucleares las interacciones entre núcleos atómicos o entre
núcleos atómicos y partículas elementales; por
extensión, se incluyen también las interacciones entre
partículas elementales. La primera reacción nuclear llevada a
cabo en el laboratorio, la realizó Rutherford, en 1919, bombardeando el
isótopo 14 del nitrógeno con partículas alfa. En la reacción
se produce el isótopo 17 del oxígeno y un protón.
Simbólicamente se representa por la ecuación:
|
14 7 |
N + |
4 2 |
He ® |
17 8 |
O
+
|
1 1 |
H |
Al
igual que en química se considera que la descomposición
espontánea de una molécula inestable es la reacción
química más simple (reacción monomolecular), la
radiactividad es el tipo más simple de reacción nuclear, y es la
que se descubrió primero. En los demás tipos de reacciones
nucleares hay, en general, dos núcleos o partículas que
reaccionan, para dar lugar a productos de reacción. A semejanza de lo
que ocurre en una reacción química, para producir una
reacción nuclear normalmente es necesario comunicar al sistema inicial
una energía de activación. En la reacción se libera
energía, que se manifiesta en forma de energía cinética de
los productos de la reacción, acompañada en ocasiones por la
producción de radiación gamma.
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 del siglo XX 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 uranio 235 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 emergente 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 la 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.
Reacción de fisión en cadena
La fisión nuclear
es una reacción que se produce mediante el bombardeo con neutrones de
determinados núcleos, denominados núcleos fisionables. En la
fisión acontece que al romperse el núcleo blanco se liberan
varios neutrones con una energía igual o superior a la de los neutrones
incidentes, lo que permite que los neutrones producidos den lugar a nuevas
fisiones, y los liberados en ellas a otras nuevas, etc.
Con ello se puede conseguir que una vez iniciada la reacción no sea
necesario continuar con el bombardeo de neutrones externos, sino que la
reacción se mantenga por sí misma. Cuando una vez iniciada una
reacción es capaz de mantenerse por sí sola se dice que se trata
de una reacción en cadena. Según esta definición, una
reacción de fisión nuclear en cadena es un proceso de fisiones
nucleares sucesivas en las que todos a partes de los neutrones liberados en
cada fisión originan nuevas fisiones, y así sucesivamente. 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 núcleos 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.
La fusión nuclear
La
fusión nuclear es la unión de dos núcleos ligeros para dar
otro núcleo más pesado, todo ello acompañado de una enorme
liberación de energía.
Para que la unión suceda, los núcleos ligeros, 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 enorme velocidad, como
sucede cuando están a muy alta 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 ligeros. 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.
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Supongamos que podemos
conseguir el choque entre dos átomos de deuterio a gran velocidad. 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 protones originales. Se ha producido una reacción
nuclear; veamos ahora las consecuencias. En primer lugar, el nuevo
núcleo formado resulta de la fusión de dos núcleos
individuales de deuterio menos el neutrón perdido; por otro lado, como
existen dos protones en el núcleo, se conservan los dos electrones
orbitales cuyas cargas negativas compensan y equilibran las cargas positivas
de los protones nucleares. Es decir que partiendo de dos átomos de
deuterio:
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Estos se han fusionado
en un sólo núcleo de helio. La reacción nuclear así
producida se llama fusión. En la práctica resulta muy
difícil provocar una reacción nuclear de este tipo pues para
conseguirla es absolutamente necesario que los dos átomos choquen a
velocidades enormes; para conseguir estas inmensas velocidades, es preciso
aumentar la temperatura de los átomos, y como resulta que este aumento
de la temperatura ha de ser de millones de grados, puede comprenderse 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 prácticamente inagotables (piénsese que todo el
hidrógeno contenido en el agua de los océanos, que puede
convertirse en deuterio fácilmente) se ha pensado en la fusión
para las futuras centrales nucleares. Poe esta razón se están
realizando, en varios países, trabajos de investigación paras
lograr un resultado práctico desde el punto de vista comercial.
Reactor
Nuclear
Un
reactor nuclear es una instalación capaz de iniciar, mantener y
controlar las reacciones de fisión en cadena, con los medios adecuados
para extraer el calor generado. Un reactor nuclear consta de varios elementos,
que tienen cada uno un papel importante en la generación del calor.
Estos elementos son: El combustible, formado por un material fisionable,
generalmente un compuesto de uranio, en el que tienen lugar las reacciones de
fisión, y por tanto, es la fuente de generación del calor. El
moderador, que hace disminuir la velocidad de los neutrones rápidos,
llevándolos a neutrones lentos o térmicos. Este elemento no
existe en los reactores denominados rápidos. Se emplean como materiales
moderadores el agua , el grafito y el agua pesada. El
refrigerante, que extrae el calor generado por el combustible del reactor.
Generalmente se usan refrigerantes líquidos, como el agua ligera y el
agua pesada, o gases como el anhídrido carbónico y el helio. El
reflector, que permite reducir el escape de neutrones de la zona del
combustible, y por tanto disponer de más neutrones para la
reacción en cadena. Los materiales usados como reflectores son el agua,
el grafito y el agua pesada. Los elementos de control, que actúan
como absorbentes de neutrones, permiten controlar en todo momento la
población de neutrones, y por tanto, la reactividad del reactor,
haciendo que sea crítico durante su funcionamiento, y subcrítico
durante las paradas. Los elementos de control tienen formas de barras, aunque
también pueden encontrarse diluido en el refrigerante. El blindaje,
que evita el escape de radiación gamma y de neutrones del reactor. Los
materiales usados como blindaje son el hormigón, el agua y el plomo.
Combustible
nuclear
Se llama combustible
nuclear cualquier material que contiene núcleos fisionables y puede
emplearse en un reactor nuclear para que en él se desarrolle una
reacción nuclear en cadena. Según esto el uranio es un combustible
nuclear, como también lo es el óxido de uranio. En el primer caso
nos referimos a un elemento químico, algunos de cuyos isótopos
son fisionables; en el segundo, a un compuesto químico determinado que
contiene tales isótopos. Entendemos por isótopos fisionables aquellos núcleos
susceptibles de experimentar fisión. Para hablar con precisión,
sería necesario especificar la energía de los neutrones que
pueden hacer fisionar dichos isótopos; por ejemplo, el U-238 no es
fisionable por los neutrones térmicos (baja velocidad), pero si por los
rápidos, aunque con pequeña sección eficaz. Normalmente, y
a no ser que se hagan mayores precisiones, suele entenderse por isótopo
fisionable cualquier núcleo que fisiona por la acción de los
neutrones térmicos. El único isótopo fisionable por
neutrones térmicos que existe en la naturaleza es el U-235. Se encuentra
en una proporción del 0'711% en el uranio natural.
Hay
otros isótopos fisionables que no existen en la naturaleza pero que
pueden obtenerse artificialmente. Los principales son:
El
uranio-233, que se obtiene por captura de un neutrón por un
núcleo de torio-232. El núcleo intermedio formado sufre dos
desintegraciones beta,
dando lugar al mencionado U-233.
- El
plutonio-239: Aunque han podido detectarse trazas de
él, se considera que no es un isótopo natural. Se forma en
la captura de un neutrón por un núcleo de uranio-238,
seguida de dos emisiones beta.
- El
plutonio-241: Tiene menor importancia que los
anteriores. Se forma por la captura de un neutrón por el Pu-240, el
cual procede a su vez, de la captura de un neutrón por un
núcleo de Pu-239.
La
obtención de los dos primeros isótopos, el U-233 y el Pu-239, se
puede realizar en los propios reactores nucleares, si introducimos en los
mismos núcleos de torio-232 y uranio-238, que son los átomos que
por captura de un neutrón dan lugar a los isótopos fisionables.
Este material se llama material fértil. Elementos
combustibles. Los elementos combustibles son los responsables de producir
energía en los Reactores Nucleares, generando calor durante dicho
proceso como cualquier otro tipo de combustible. Los Elementos
Combustibles están formados normalmente, por:
- El material combustible:
normalmente e Uranio y/o Plutonio combinado con oxígeno para formar
un óxido o con otro material para formar una aleación.
- Las vainas: normalmente
aleaciones metálicas (de Zirconio, Aluminio, etc.) que encierran
herméticamente al material combustible para evitar que se escapen
los productos (la mayoría gases) formados durante las reacciones
nucleares.
- Materiales estructurales: son
también aleaciones metálicas (de Zirconio, Aluminio y/o
aceros) que sirven para dar una estructura geométrica al conjunto
permitiendo así que la remoción del calor generado sea
extraído con facilidad por el líquido refrigerante
(normalmente agua) que se mueve a través de ellos.
Ciclo del combustible nuclear
Se denomina 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 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.
Tipos de Reactores Nucleares
Los
reactores nucleares se clasifican, de acuerdo con la velocidad de los neutrones
que producen las reacciones de fisión, en: reactores rápidos
y reactores térmicos. A su vez, los reactores térmicos se
clasifican, de acuerdo con el tipo de moderadores empleado, en: reactores de
agua ligera, reactores de agua pesada y reactores de grafito. Con
cada uno de estos reactores está asociado generalmente el tipo de
combustible usado, así como el refrigerante empleado. Los reactores
más empleados en las centrales nucleoeléctricas son:
Reactor
de agua a presión (PWR), que emplea agua ligera como moderador y refrigerante;
óxido de uranio enriquecido como combustible. El refrigerante circula a
una presión tal que el agua no alcanza la ebullición, y extrae el
calor del reactor, que después lleva a un intercambiador de calor, donde
se genera el vapor que alimenta a la turbina. Reactor de agua en
ebullición (BWR), que emplea elementos similares al anterior, pero
ahora el refrigerante, al trabajar a menor presión, alcanza la
temperatura de ebullición al pasar por el núcleo del reactor, y
parte del líquido se transforma en vapor, el cual una vez separado de
aquél y reducido su contenido de humedad, se conduce hacia la turbina
sin necesidad de emplear el generador de vapor. Reactor de agua pesada (HWR),
que emplea agua pesada como moderador. Existen versiones en las que el
refrigerante es agua pesada a presión, o agua pesada en
ebullición. Puede emplear uranio natural o ligeramente enriquecido como
combustible. Reactor de grafito-gas. Este tipo de reactores usan grafito
como moderador y CO2 como refrigerante. Mientras que los primeros
reactores de este tipo emplearon uranio natural en forma metálica, los
actuales denominados avanzados de gas (AGR) utilizan óxido de uranio
enriquecido; y los denominados reactores de alta temperatura (HTGR), usan helio
como refrigerante. Reactor de agua en ebullición (RBMK), moderado
por grafito, desarrollado en la Unión Soviética, que consiste en
un reactor moderado por grafito, con uranio enriquecido, y refrigerado por agua
en ebullición. Este tipo de reactores no se han empleado en Europa
occidental.
Reactor Rápido
En
este tipo de reactores no existe el elemento moderador para los neutrones y por
tanto el flujo de neutrones cae en la zona de los neutrones rápidos. En
estos reactores el combustible de la zona central, formado por un óxido
de uranio o de uranio y plutonio, se rodea de una zona de óxido de
uranio muy empobrecido, con un contenido de U-235 menor o igual al del uranio
natural. Con esta disposición, y si se usa un refrigerante que no
produzca la moderación de neutrones (normalmente se emplea sodio), se
puede conseguir que en la capa de U-238 que rodea al combustible se genere
más plutonio que el que se consume. De esta forma, al mismo tiempo que
se está generando energía térmica, se está
produciendo combustible en forma de Pu-239, que puede usarse en cualquier tipo
de reactor, tanto rápido como térmico. A este tipo de reactores
también se les conoce por reactores reproductores, y su
importancia es enorme, ya que permiten obtener un mejor aprovechamiento de los
recursos existentes de uranio. En este momento existen muy pocos países
que tengan centrales nucleoeléctricas con este tipo de reactores. En
primer lugar, Francia con el Superphenix de 1200 MW funcionando en
Crys-Malville, es la mayor central existente. Le sigue la antigua Unión
Soviética con un proyecto de varias centrales con reactores de 600 MW, y
finalmente Japón con una central de 300 MW.
Funcionamiento de una central nuclear
El
esquema general de una central nuclear tipo, puede ser el siguiente: En este esquema se observan las tres partes de una
central nuclear tipo: Circuito Primario, (Edificio del Reactor) Circuito
Secundario, (Generación de electricidad) y Circuito de
Refrigeración
Circuito Primario
El circuito primario es
estanco y está formado por la vasija del reactor que contiene el
núcleo, el presionador y tres lazos. Cada uno incorpora un generador de
vapor y una bomba principal. El agua
desmineralizada que circula por su interior toma el calor producido en el
reactor por la fisión nuclear y lo transporta hasta el generador de
vapor. En él, un segundo flujo de agua independiente del primero,
absorbe el calor a través de su contacto exterior con las
tuberías por las que circula el agua desmineralizada del circuito
primario. Por fin, dicho fluido retorna a la vasija del reactor tras ser
impulsado por las bombas principales. El reactor y su circuito de refrigeración
están contenidos dentro de un recinto hermético y estanco,
llamado "Contención" consistente en una estructura
esférica de acero de 53 m de diámetro, construida mediante
planchas de acero soldadas de 40 mm de espesor y que se soporta sobre una
estructura de hormigón en forma de cáliz que se apoya sobre la
losa de cimentación de 3'5 m de espesor. La Contención
está ubicada en el interior de un segundo edificio, también de
hormigón y cuyas paredes exteriores tienen un espesor de 60 cm, llamado
edificio del Anillo del Reactor. Este tiene forma cilíndrica y
está rematado por una cúpula semiesférica, que sirve de
blindaje biológico. El funcionamiento del circuito primario se
complementa con la presencia de una serie de sistemas auxiliares que aseguran
el control de volumen, purificación y desgasificación del refrigerante.
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La salida al exterior
tanto de la radiación como de productos radiactivos es imposible por
tres barreras físicas, asegurando cada una de ellas, que la
hipotética rotura de una barrera sea soportada por la siguiente.
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Circuito Secundario. La Generación de
Electricidad
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En el circuito secundario, el vapor producido
en los generadores se conduce al foco frío o condensador, a
través de la turbina que transforma la energía térmica
(calor) en energía mecánica. La rotación de los álabes
de la turbina acciona directamente el alternador de la central y produce
energía eléctrica. El vapor de agua que sale de la turbina pasa
a estado líquido en el condensador, retornando, mediante el concurso
de las bombas de condensado, al generador de vapor para reiniciar el ciclo. |
Mediante un caudal de agua de
44.600 kg/s aportado por un tercer circuito semiabierto, denominado
"Sistema de Circulación", se realiza la refrigeración
del condensador. Este sistema consta de dos torres de refrigeración de
tiro natural, un canal de recogida del agua y las correspondientes bombas de
impulsión para la refrigeración del condensador y
elevación del agua a las torres. El caudal de agua evaporado por la torre
es restituido a partir de la toma de agua en un azud de un río
próximo.
Seguridad en una Central Nuclear
Las
salvaguardias técnicas deben mantener las siguientes funciones vitales
deducidas del objetivo principal de la seguridad nuclear.
- El control de la Reacción Nuclear
- La refrigeración del Reactor. Junto con otras medidas
pasivas e intrínsecas, los sistemas de seguridad responden ante la
indisponibilidad y fallos de los sistemas principales, así como a
los posibles transitorios de operación. En el "esquema
simplificado" se indican los principales sistemas que salvaguardan la
refrigeración del Reactor y una síntesis de su
funcionamiento. Cerca de un centenar de sistemas prestan funciones de
soporte a esta función y en su caso complementan el cumplimiento del
objetivo de seguridad nuclear.
Salvaguardia para
mantener la refrigeración del Reactor ante el fallo del Circuito
Primario
El
sistema asegura la refrigeración del Reactor Nuclear, en el supuesto de
pérdida de la capacidad de refrigeración del Reactor por fallo o rotura
del circuito Primario, y la evacuación del calor residual producido por
los productos de fisión existentes en el núcleo del Reactor tras
su parada. El sistema inyecta agua directamente en la Vasija a presión,
que contiene el núcleo, de forma que asegura su refrigeración
hasta que alcance un estado de parada segura (temperatura fría). El agua
derramada del dañado circuito Primario es recogida en el sumidero del
recinto de Contención y recirculada para volver a ser inyectada en la
vasija, (circuito primario de emergencia).
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Salvaguarda para mantener la refrigeración
del circuito primario a través del Generador de Vapor
Actúa
ante la pérdida de la capacidad de refrigeración a través
del circuito Secundario y cuando un suceso exterior a la Central cuestiona la
refrigeración del Reactor. El sistema asegura que el generador de vapor
mantiene su función de transferir el calor del sistema de
refrigeración del reactor, durante el tiempo que transcurra desde la
detención del Reactor hasta que alcance el estado de parada fría.
El
sistema actúa directamente sobre el generador de vapor inyectándole
agua proveniente de los depósitos localizados en el llamado edificio de
alimentación de emergencia. Cuatro grupos diésel acoplados a
generadores eléctricos garantizan el abastecimiento.
La Energía Nuclear en España
La Generación de
Energía Eléctrica
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La Fabricación del Combustible
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JUZBADO. Empresa Nacional de Uranio. |
La Gestión de los
Residuos Radiactivos
La gestión de los residuos
radiactivos en España está encomendada a la Empresa Nacional de Residuos
Radiactivos, ENRESA, que elabora el Plan General de Residuos Radiactivos y lo
presenta para su aprobación al Gobierno.
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EL CABRIL. Empresa Nacional de Residuos
Radiactivos. |
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La
aportación de la Industria Nuclear a la economía española
España
se ha beneficiado de una forma importante del desarrollo de los proyectos
nucleares, que han supuesto una media de casi el 6% de la inversión
nacional anual durante el período de construcción de las
centrales (1977-1988). La transferencia de tecnología y el intercambio
de conocimiento con los científicos y técnicos de los
países líderes, han posibilitado la creación y el
desarrollo de una importante industria, capaz, hoy, de competir en el exterior
tanto en el mercado nuclear, como en el resto de las tecnologías
industriales. El sector nuclear español engloba, hoy, importantes
empresas de la ingeniería, de la formación e inspección, y
del sector de bienes de equipos. Su capacidad queda reflejada en los siguientes
datos que muestran el grado de participación nacional lograda en los
proyectos de la última generación de centrales nucleares
construidas; las centrales de Vandellós 2 y Trillo.
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Equipos: |
..... 80% |
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Construcción: |
..... 100% |
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Ingeniería: |
..... 85% |
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Formación: |
..... 100% |
© Javier
de Lucas