LAS CENTRALES NUCLEARES La energía nuclear es aquella que proviene de procesos que suceden en el núcleo del átomo. Pueden producirse dos tipos de reacciones nucleares Energía nuclear de fisión: Se produce por la escisión o ruptura del núcleo de un átomo pesado, al ser bombardeado por neutrones, liberándose gran cantidad de energía en forma de calor durante el proceso. Constituye la base de las centrales nucleares destinadas a la generación de electricidad Energía nuclear de fusión: Se produce al unir varios núcleos de átomos ligeros para formar uno más pesado, liberando en el proceso muchísima energía. En la actualidad se encuentra en investigación la construcción de centrales eléctricas económicamente viables que permitan aprovechar este tipo de reacciones nucleares LA REACIÓN NUCLEAR DE FISIÓN Cuando se rompe un núcleo atómico se libera gran cantidad de energía a causa de la fuerte interacción entre los componentes del núcleo atómico. Todos los átomos de un elemento tienen el mismo número de protones en el núcleo pero puede diferir el número de neutrones; estos átomos que tienen distinto número de neutrones se denominan isótopos. El combustible más habitual de las centrales nucleares es el U235, que es sometido a una serie de transformaciones desde su extracción hasta que se fabrican las barras de combustible. Hay que enriquecer el contenido en U235 hasta el 3%, por lo que se habla de uranio enriquecido. La reacción más habitual es la siguiente: 235 90 92 U + n→ 38 Sr+ 144 54 Xe+2n En las reacciones de fisión la suma de las masas de los productos resultantes no es igual a la suma de las masas de los productos iniciales. Parte de la masa se ha convertido en energía, según la ecuación de Einstein: E=m·c 2. La fisión de 1kg de uranio produce una energía de 8,38 x1013 J (equivalente a la combustión de 3000 Tn de carbón). 235 Cuando el núcleo de 92 U es bombardeado por neutrones lentos, éste se escinde en otros dos núcleos más pequeños, emitiendo por cada ruptura otros dos o tres neutrones rápidos. Estos nuevos neutrones pueden a su vez fisionar otros átomos de uranio próximos, dando lugar a una reacción en cadena. Para que los neutrones rápidos sean capaces de producir fisiones de forma controlada es necesario frenarlos por medio de una sustancia que se denomina moderador. ESTRUCTURA DE LAS CENTRALES NUCLEARES Las instalaciones donde se produce la transformación de la energía nuclear en energía eléctrica son las centrales nucleares. Su funcionamiento y estructura general es semejante al de las centrales térmicas convencionales, salvo que en este caso la caldera es sustituida por el reactor nuclear. Diagrama de transformaciones energéticas: Energía nuclear del combustible Energía térmica del vapor Energía cinética de la turbina Energía eléctrica del alternador 1 Las partes fundamentales de una central nuclear son las siguientes: Reactor: es la parte principal de la central donde tiene lugar la reacción de fisión. Está fabricado de acero y hormigón y, por medidas de seguridad, se encuentra dentro del denominado edificio de contención. En el interior del reactor se depositan las barras de combustible. El comienzo de la reacción se consigue mediante una fuente de neutrones (Sb-Be o Am-Be), situada dentro del núcleo del reactor. Dicho núcleo se encuentra sumergido en un agente moderador, cuya misión es absorber parte de la energía con que salen despedidos los neutrones a consecuencia de la fisión del uranio y conseguir una reacción en cadena controlada. El conjunto se encuentra rodeado por un fluido refrigerante (que puede ser agua ligera, agua pesada, gas, etc...), que recoge el calor originado en la reacción de fisión y lo transmite a un circuito de vapor, para su transformación en energía eléctrica. En ocasiones el propio refrigerante puede actuar como moderador. Dentro del núcleo del reactor, intercaladas entre las barras de combustible se introducen las barras de control, formadas por materiales capaces de absorber fácilmente neutrones, como el boro, el cadmio o el hafnio. Su misión es fundamental pues permiten regular la reacción nuclear. Son unas barras deslizantes y cuanto más introducidas están en el núcleo más neutrones absorben, con lo que se disminuye el número de fisiones. Por el contrario, el número de fisiones aumenta al extraer las barras. De esta forma se puede controlar e incluso detener la reacción en caso necesario. Existen varios tipos de reactores nucleares de fisión. Los más utilizados son los PWR (reactor de agua a presión) y los BWR (reactor de agua en ebullición) Turbina: transforma la energía calorífica en energía mecánica (cinética). Al igual que en el caso de las centrales térmicas convencionales suele haber tres grupos de turbinas (de alta, media y baja presión) Alternador: transforma la energía mecánica en energía eléctrica (corriente alterna) Condensador: Toma agua fría procedente de una fuente exterior y la utiliza para enfriar el vapor procedente de la turbina. Como resultado de este enfriamiento el vapor se condensa y puede ser impulsado de nuevo hacia el reactor. Instalación de gestión de residuos: es el lugar donde se recogen los residuos procedentes del reactor almacenándolos temporalmente hasta su destino definitivo. REACTORES PWR (Pressurized Water Reactor) Este tipo de centrales tienen dos circuitos de refrigeración completamente aislados entre sí denominados primario y secundario. Utilizan agua como moderador y como refrigerante. El agua del circuito primario pasa por el interior de los tubos del generador de vapor. El agua del circuito primario se 2 mantiene a presión para evitar que cambie de estado. El generador de vapor es un intercambiador de calor por el que circula agua procedente del circuito secundario, de forma que nunca se mezcla con el agua del primario. El agua del circuito secundario absorbe el calor del agua del circuito primario y se convierte en vapor. Éste se hace incidir sobre los álabes de una turbina, la cual al girar mueve un alternador que produce energía eléctrica. Además existe un tercer circuito de refrigeración exterior que es el único cuyo agua tiene contacto con el medio ambiente circundante. REACTORES BWR (Boiling Water Reactor): Como en el caso de los reactores PWR, también utilizan el agua como refrigerante y moderador. Este tipo de centrales sólo tienen un circuito primario, ya que es el mismo líquido refrigerante el que se convierte en vapor. La ebullición se produce en el interior del reactor y el vapor que impulsa las turbinas está contaminado al haber estado en contacto con el combustible. Esto implica la necesidad de mayores medidas de seguridad sobre el circuito. Tienen la ventaja de que al haber un solo circuito y no existir intercambiador de calor el coste de este tipo de centrales es más bajo. 3 REACTORES BWR (Boiling Water Reactor): Como en el caso de los reactores PWR, también utilizan el agua como refrigerante y moderador. Este tipo de centrales sólo tienen un circuito primario, ya que es el mismo líquido refrigerante el que se convierte en vapor. La ebullición se produce en el interior del reactor y el vapor que impulsa las turbinas está contaminado al haber estado en contacto con el combustible. Esto implica la necesidad de mayores medidas de seguridad sobre el circuito. Tienen la ventaja de que al haber un solo circuito y no existir intercambiador de calor el coste de este tipo de centrales es más bajo. APLICACIONES DE LA ENERGÍA NUCLEAR Generación de electricidad en las centrales nucleares Propulsión naval y aeroespacial Producción de radioisótopos, que tienen múltiples aplicaciones: o Medicina: radiodiagnóstico, tratamientos … o Conservación de alimentos o Prospección y sondeo o Agricultura o Control de procesos de fabricación 4