Centrales nucleares. 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. Historia. El descubrimiento de la reacción nuclear de fisión tuvo lugar a finales de 1938, abriéndose un nuevo campo de investigación científica y tecnológica que marcó el inicio de lo que se conoce como era atómica. Las primeras investigaciones sobre las aplicaciones de la energía liberada en la fisión del núcleo se orientaron hacia su uso militar. Al acabar la Segunda Guerra Mundial, sin embargo, gran parte de las investigaciones tuvieron como objetivo el aprovechamiento civil de esa energía. La mayoría de los países industrializados decidieron utilizar la energía nuclear para producir electricidad. Las primeras centrales nucleares entraron en servicio en los años cincuenta en Obninsk (1954, Rusia), Calder Hall (1956, Gran Bretaña) y Sipping Port (1957 Estados Unidos). En España, a principios de los años sesenta se decidió construir las tres primeras centrales nucleares, contando con el apoyo tecnológico de Estados Unidos y Francia, en las localidades de Zorita de los Canes (1968, Guadalajara), Santa María de Garoña (1970, Burgos), y Vandellós I (1972, Tarragona). A principios de los años ochenta entró en funcionamiento una segunda generación de centrales nucleares en España compuesta Funcionamiento de la central nuclear El vapor que alimenta la turbina puede ser producido directamente en el interior de la vasija del reactor (en los reactores de agua en ebullición) o en un cambiador denominado generador de vapor (en los reactores de agua a presión). La vasija del reactor contiene el combustible y las barras de control, que están hechas de material absorbente de neutrones y sirven para detener la fisión en cadena. Una vez cargado el reactor se extraen las barras de control hasta llevarlo a estado ligeramente supercrítico. En esta situación comienza a aumentar el número de fisiones y de neutrones en el reactor y por tanto la potencia generada. Cuando se alcanza el ritmo de producción de energía (nivel de potencia) deseado se detiene la extracción de las barras de control y el reactor alcanza el estado critico. Es decir un nivel de potencia estable. El principio de una central nuclear es, pues, muy sencillo. Es la tecnología aplicada la que es compleja debido a los fenómenos en juego y las potencias necesarias para asegurar en todo momento, tanto la seguridad de los trabajadores y de la población como la protección del medio ambiente. Componentes. Núcleo del reactor 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). Combustible 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 nuestro país, 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. El núcleo de un reactor PWR, como los de la central nuclear de Almaraz y la de Ascó, contiene 157 de estos elementos combustibles, situados en el interior de la vasija. 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. 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. Residuos. En todas las fases del combustible nuclear se generan residuos industriales que tienen la característica específica de ser radiactivos. En el caso de las centrales nucleares se generan residuos que se clasifican, según su actividad radiactiva, como de baja, media y alta actividad. De baja y media actividad son los residuos provenientes de los filtros de purificación de los circuitos, resinas, lodos, herramientas, material contaminado procedente de limpiezas o vestuario, andamiaje, etc. Estos residuos sólidos se compactan siempre que es posible para reducir su volumen y se introducen en bidones homologados para su almacenamiento. El combustible irradiado es un residuo de alta actividad. Una vez concluido el ciclo de utilización de un elemento combustible en el reactor, éste se almacena temporalmente en la propia instalación, en la piscina de combustible irradiado. Y se deja ahí durante el tiempo suficiente para la desintegración de gran parte de los productos de fisión de vida corta, con la consiguiente reducción de los riesgos de exposición. Al disminuir la actividad y, por tanto, el calor producido por la desintegración, se dice que el combustible está sometido a un proceso de enfriamiento, y puede pasar a una etapa de tratamiento, almacenamiento o eliminación, que son las opciones que se están La planta nuclear “Palo verde” en Arizona, como otras plantas nucleares, fue construida para controlar la energia nuclear usada por los humanos. La primera planta nuclear a full escala comenzo a operar en 1956 en Inglaterra y en 1957 en Estados Unidos. Seguidos de otros paises importantes. Energia nuclear es una controversial fuente de energia. No causa contaminación, pero la radioactividad ha causado muchos daños ambientales, accidentes y muertes. Energía Nuclear La energía nuclear es aquella que se libera como resultado de una reacción nuclear. Se puede obtener por el proceso de Fisión Nuclear (división de núcleos atómicos pesados) o bien por Fusión Nuclear (unión de núcleos atómicos muy livianos). En las reacciones nucleares se libera una gran cantidad de energía, debido a que parte de la masa de las partículas involucradas en el proceso, se transforma directamente en energía. Lo anterior se puede explicar en base a la relación MasaEnergía, producto de la genialidad del gran físico Albert Einstein. En relación a la liberación de energía, una reacción nuclear es un millar de veces más energética que una reacción química, por ejemplo, la generada por la combustión del combustible fósil del metano Fisión Nuclear La materia está compuesta por átomos, cada uno de los cuales está formado por un núcleo central y una serie de electrones que giran alrededor del mismo. El núcleo está compuesto por protones y neutrones, siendo el número de protones igual al de electrones. El número de electrones, protones y neutrones que tiene un átomo depende del elemento de que se trate; por ejemplo, el átomo de carbono no tiene el mismo número de electrones, protones y neutrones que el átomo de uranio. La suma del número de neutrones más el número de protones se llama "número másico". Cuando dos átomos tienen el mismo número de protones pero distinto número de neutrones, se les llama "isótopos"; El uranio tiene vario isótopos, como el U233, U235, Y U238. El átomo es tan pequeño que, si lo comparamos con una cereza, existiría la misma diferencia de tamaño que existe entre un balón de fútbol y la TIERRA. El núcleo de un átomo es muy difícil de partir (fisionar). Los únicos núcleos que se pueden fisionar con relativa facilidad son los de los átomos más pesados y de número másico impar, como el U235 Y Pu239. Un núcleo pesado, al romperse en dos partes, produce calor y desprende dos o tres neutrones nuevos, que a su vez pueden chocar con otros núcleos pesados produciendo más fisiones. Esto es lo que se llama "reacción en cadena". El uranio neutral que se saca de las minas tiene 0,72% de átomos de U235 y el 99,28% de átomos de U238, es decir, de cada 143 átomos de uranio, solamente hay uno de U235 que se puede fisionar. Fusión Nuclear La fusión nuclear ocurre cuando dos núcleos atómicos muy livianos se unen, formando un núcleo atómico más pesado con mayor estabilidad. Estas reacciones liberan energías tan elevadas que en la actualidad se estudian formas adecuadas para mantener la estabilidad y confinamiento de las reacciones. La energía necesaria para lograr la unión de los núcleos se puede obtener utilizando energía térmica o bien utilizando aceleradores de partículas . Ambos métodos buscan que la velocidad de las partículas aumente para así vencer las fuerzas de repulsión electrostáticas generadas al momento de la colisión necesaria para la fusión. Para obtener núcleos de átomos aislados, es decir, separados de su envoltura de electrones, se utilizan gases sobrecalentados que constituyen el denominado Plasma Físico. Este proceso es propio del Sol y las estrellas, pues se tratan de gigantescas estructuras de mezclas de gases calientes atrapadas por las fuerzas de gravedad estelar. El confinamiento de las partículas se logra utilizando un "Confinamiento Magnético", o bien un "Confinamiento Inercial". El Confinamiento Magnético aprovecha el hecho que el plasma está compuesto por partículas (núcleos) con carga eléctrica. Se sabe que si una de estas partículas interactúa con un Campo Magnético su trayectoria y velocidad cambian, quedando atrapadas por dicho Campo. El Confinamiento Inercial permite comprimir el plasma hasta obtener densidades de 200 a 1000 veces mayor que la de sólidos y líquidos. Cuando se logra la compresión deseada se eleva la temperatura del elemento, lo que facilita aún más el proceso de la fusión. Fisión y fusion Energía nuclear puede darse en dos formas: por fisión nuclear (división) de un núcleo, o por fusion nuclear (juntando) dos núcleos. En la fusión es más difícil ya que el otro núcleo lo puede repeler. Y la fusión no crea productos radioactivos. Particulas y ecuaciones nucleares Particula alfa Particula beta, un electron Beta mas particula, un positron Principios de funcionamiento. La energía eléctrica obtenida a partir del calor, sé, consigue calentando agua hasta generar vapor, el cual mueve los álabes de una turbina. Esta última gira unida a un generador eléctrico produciendo en su movimiento electricidad. El calor se puede obtener a partir de la combustión de carbón, gas, fuel-oil, o bien a partir de la fisión nuclear de átomos pesados. En las centrales convencionales el combustible se quema en el interior de una caldera rodeada de tubos llenos de agua en los que se produce la ebullición. En una central nuclear, el combustible se encuentra dentro de una vasija rodeada de agua. En algunas centrales nucleares se deja que el agua hierva dentro de la vasija (reactores de agua en ebullición o BWR). En otras el agua se calienta sin llegar a hervir, manteniéndola a presión (reactores de agua a presión o PWR). Este agua se conduce a través del interior de los tubos de un intercambiador de calor (Generador de Vapor). Exteriormente los tubos del generador de vapor se encuentran rodeados por agua del "circuito secundario" la cual entra en ebullición generando el vapor necesario para mover la turbina. El vapor de agua que mueve la turbina no se libera a la atmósfera, sino que es transformado de nuevo en agua en un condensador y recirculado al Generador de Vapor, en un circuito cerrado. Se conocen como PHWR a las centrales tipo PWR que utilizan "agua pesada" como refrigerante y moderador. Pueden ser con "vasija de presión" (Central Nuclear Atucha II) o con "tubos de presión" (modelo CANDU, como la Central Nuclear Embalse). En la Central Nuclear Atucha I, existen cuatro circuitos de agua: CIRCUITO PRIMARIO El agua pesada del circuito primario circula a través de los canales refrigerantes donde se encuentra el combustible y se calienta como consecuencia de la fisión nuclear. Este agua se mueve impulsada por una bomba fuera de la vasija hacia los tubos de un Generador de Vapor donde cede parte de su calor a otro circuito de agua (circuito secundario) y retorna de nuevo a la vasija para volver a calentarse. Existen dos circuitos iguales. CIRCUITO MODERADOR El agua pesada de este circuito cumple la función de reducir la velocidad de los neutrones producidos por la fisión nuclear, a través de sucesivos choques capaces de extraerles energía sin absorberlos. Además extrae parte del calor generado por la fisión. El agua del moderador se mueve impulsada por una bomba hacia un intercambiador de calor donde cede su calor al circuito secundario, para retornar a la vasija nuevamente. Existen dos circuitos idénticos. CIRCUITO SECUNDARIO Este circuito de agua común desmineralizada, recoge el calor cedido por el agua de los circuitos moderador y refrigerante, vaporizándose en el Generador de Vapor. Este vapor cede su energía a los álabes de la turbina, que a su vez hace girar el generador eléctrico produciendo energía, enfriándose y perdiendo presión para entrar en el condensador. Aquí se convierte en agua que es recogida por bombas e impulsada nuevamente al Generador de Vapor. Cabe hacer notar, que el agua del circuito secundario nunca se mezcla con el "agua pesada" de los circuitos primario y moderador. Existen dos circuitos similares. CIRCUITO DE REFRIGERACIÓN Para conseguir la condensación del vapor procedente de la turbina se emplea agua del río Paraná de las Palmas. Este agua es impulsada por tres bombas a los tubos del condensador, desde donde retorna nuevamente al río, pasando por una turbina hidráulica. PWR 1. Núcleo 2. Barras de control 3. Generador de vapor 4. Presionador 5. Vasija 6. Turbina 7. Alternador 8. Bomba 9. Condensador 10. Agua de refrigeración 11. Contención de hormigón BWR 1. Núcleo 2. Barras de control 3. Filtro 4. Secador 5. Vasija 6. Turbina 7. Alternador 8. Bomba 9. Condensador 10. Agua de refrigeración 11. Contención de hormigón Necesidad de las centrales nucleares Es un hecho probado que en un país, cuando el consumo de bienes y servicios por habitante aumenta, el uso de energía eléctrica también aumenta. En Argentina la demanda de electricidad se ha incrementado de manera similar al aumento del consumo por habitante (pero siempre manteniéndose por encima de éste). En nuestro país la energía nuclear, con sólo 2 máquinas, cubre un 13,51% de la producción eléctrica, mientras que un 35,50% proviene de generación hidroeléctrica (con más de 80 máquinas) y el resto, un 50,99% es de origen convencional (carbón, petróleo y gas) con más de 160 máquinas. CONSERVACION DEL MEDIO AMBIENTE. El efecto invernadero, producido por las emisiones de CO2 a la atmósfera en los procesos de combustión y, en general, la sensibilización mostrada por la población mundial acerca de la contaminación ambiental y el daño irreparable que el hombre está causando a su entorno, son algunas de las razones que justifican la necesidad de generar energía eléctrica de la forma más limpia posible. Todas las actividades desarrolladas por el hombre generan algún tipo de impacto ambiental que afectan directa o indirectamente sobre la salud humana. Las centrales térmicas convencionales- ya sean de carbón, petróleo o gas natural- liberan a la atmósfera productos residuales de estos combustibles fósiles, en forma de óxidos de azufre y nitrógeno altamente contaminantes así como el CO2, originante del efecto invernadero. Las emisiones de gases de las centrales nucleares, son prácticamente nulas al no existir un proceso de combustión convencional. De las centrales productoras convencionales, las de gas natural son las menos contaminantes, pero como contrapunto, utilizan un combustible que es escaso en temporada invernal y a la vez es necesario para el uso doméstico y la industria petroquímica. Necesidad de las centrales nucleares Para operar la CNA I, durante un año al máximo de su capacidad se requiere de unas 66Ton. de uranio natural. Si se pretendiera generar la misma energía en una máquina térmica equivalente que emplee fuel-oil, debería utilizar unas 765.000 Ton. De dicho hidrocarburo, el cual liberaría al medio ambiente: 202.200 Ton. De CO2, 36.000 Ton. De SO2, 4830 Ton. De NO y 2.500 Ton de cenizas. OTRAS FUENTES DE ENERGIA. El funcionamiento de centrales de carbón, hidráulicas y nucleares, como la Central Nuclear Atucha, ha hecho posible que se reduzca notablemente el consumo de derivados del petróleo en las centrales termoeléctricas. De esta forma el petróleo puede ser utilizado para otros consumos irreemplazables. A su vez nuestro territorio tiene una gran cantidad de mineral de uranio, que no posee otra utilización pacífica que el uso en las centrales nucleares de producción de energía eléctrica. Si bien existen otras fuentes de energía alternativas, tales como la energía solar, eólica, mareomotriz, etc., éstas deben profundizar su desarrollo tecnológico, de manera tal que puedan ser utilizadas a escala industrial y comercial a precios competitivos. Para ésto serán necesarias inversiones importantes y más tiempo de experimentación para lograr una fuente confiable de energía eléctrica. Una cosa es que la energía esté ahí, y otra muy distinta que se pueda usar industrialmente de forma económica, fiable, segura y limpia. Esto último exige un largo período de desarrollo. Para alcanzar la madurez tecnológica actual de las centrales nucleares se ha requerido un vasto programa de investigación, alentando en primer lugar por los países desarrollados y luego por el aporte de la experiencia de más de cuarenta años, de los países que cuentan con centrales nucleares. Por lo expuesto no es de esperar que las fuentes de energía renovable alcancen una madurez tecnológica equivalente hasta más allá del año 2020. Las centrales nucleares como alternativa En este siglo el hombre ha descubierto una nueva fuente de energía: la energía nuclear. Todos los países se han esforzado en contribuir a su aplicación pacífica y, como consecuencia de este trabajo conjunto, se han desarrollado las centrales nucleares para la producción de energía eléctrica. Gracias a este esfuerzo de colaboración que se inició en los años cincuenta, la humanidad se ha encontrado con que dispone ahora de una nueva fuente de energía prácticamente ilimitada que le permite hacer frente a los problemas que están planteando los combustibles convencionales, reduciendo su utilización a los fines para los que resultan insustituibles y evitando su consumo en la producción de energía eléctrica. A partir de 1952, fecha en la que arrancó el primer reactor comercial de fisión, se han ido sucediendo la construcción de nuevas centrales, acumulándose una experiencia equivalente a cientos de años de funcionamiento de un reactor. Durante este tiempo, se ha podido demostrar que las centrales nucleares producen energía eléctrica de una forma fiable, segura y económica. Radiaciones. Una cuestión que el hombre no suele conocer es que vive rodeado de radiactividad, y lo hace sin preocuparse. La radiactividad no es un fenómeno de hoy. La Tierra está envuelta en radiación y de estas fuentes naturales recibimos una exposición media de 2,4 miliSievert cada año- el miliSievert (mSv) es una unidad con la que se mide la radiactividad-. Este valor corresponde a la radiación procedente de los rayos cósmicos, del suelo, de las viviendas y del aire que respiramos. Los materiales radiactivos naturales en la corteza terrestre son absorbidos por vegetales y animales. Cualquier elemento que comamos o bebamos es por lo tanto ligeramente radiactivo. Pero, además, el hombre produce artificialmente radiaciones, como por ejemplo las técnicas de diagnóstico y tratamiento médico (radiografías, topografías computadas, bombas de cobalto, etc.). Frente a esto, una persona que viviera a unos 1000 metros de una central nuclear, que se alimentara exclusivamente de los frutos de la zona, que bebiera el agua descargada por la central tendría una exposición de 0,05 mSv/año, de acuerdo a la experiencia de los reactores ya en operación. La población que residiera en un entorno de 80 Km. tendría una exposición del orden de 0,0001 mSv/año. Y más allá de esa distancia sería de 0,00001 mSv/año. Y más allá de esa distancia sería de 0,0001 mSv/año debido a la central. EFECTO DE LAS RADIACIONES. Está demostrado que el hombre puede soportar 250 mSv producidos por las radiaciones sin percibir ningún efecto detectable, e incluso este valor puede alcanzar los 1.500 mSv, recuperándose en algunas semanas. Además no hay que olvidar que el hombre ha vivido normalmente en un ambiente radiactivo (2,4 mSv/año). A pesar de todo lo mencionado, y como un desafío más, se tiende a que las centrales nucleares en operación normal aporten un porcentaje mínimo de la radiactividad natural (0,05 mSv); con lo cual sus efectos serán inferiores a los de la propia naturaleza. CONTROL DE LAS RADIACIONES En operación normal, los productos radiactivos están confinados dentro de la pastilla de uranio, para evitar su escape, se fabrica el combustible con la máxima calidad, y se diseña la central de forma que el combustible no sufra daño durante la fabricación, márgenes de seguridad adecuadas en el diseño del núcleo, y un sistema de protección que automáticamente, impida las maniobras erróneas que puedan dañar al combustible. Sin embargo, a pesar de las precauciones anteriores, se presupone la hipótesis de que haya fugas en el combustible, que pudieran contaminar el agua de refrigeración que circula por la vasija; también se postula la hipótesis de fugas en la vasija y sus tuberías asociadas. Por esta razón, se instala un sistema para el tratamiento de las fugas de los equipos de la central, y se impide que estos efluentes traspasen de forma incontrolada la contención.