TEMA:ENERGIA NUCLEAR,FUENTE DE ENERGIA

ENERGIA NUCLEAR, FUENTE DE ENERGIAI. INTRODUCCIONLa energa es una condicin necesaria para el desarrollo econmico y social de los pueblos; ella es necesaria para la produccin industrial, agrcola, para el transporte de productos y materias primas, para la calefaccin de casas y lugares de trabajo. Se puede afirmar que en cualquier lugar y en cualquier actividad que desarrollamos, estaremos siempre requiriendo de energa en cualquiera de sus formas.

Cada ao se necesita ms energa para atender las necesidades de una poblacin mundial en crecimiento, siendo evidente que se precisa un enorme esfuerzo para suministrar energa, sobre todo energa elctrica, ya que por razones de comodidad, rendimiento y limpieza, es sta forma de energa la que tiene mayor empleo en la actualidad.

Las investigaciones realizadas para conseguir nuevas fuentes de energa, han conducido a desarrollar las tecnologas necesarias para usar la energa contenida en el ncleo del tomo.

II. EL NUCLEO COMO FUENTE DE ENERGIA Esta energa se produce mediante reacciones nucleares. Al ser liberadas las fuerzas que mantienen unidas a las partculas nucleares, los nucleones salen disparados del ncleo.

En estas reacciones la energa se produce de las siguientes formas:

a.- Ondas electromagnticas (conversin de masa en energa).

b.- Energa elctrica de baja potencia (las radiaciones producen ionizacin en el medio atravesado)c.- Energa elctrica de baja potencia (las radiaciones producen calor en el medio atravesado y se genera una corriente)d.- Calor de baja temperatura (Conversin de la energa cintica de las partculas emitidas, en energa trmica);

e.- Energa elctrica de alta potencia (mediante reacciones de fisin nuclear)

f.- Vapor (el vapor producido por la fisin nuclear, se emplea como fuente de calor para diferentes procesos industriales Las potencias elctricas producidas varan segn los requerimientos, as tenemos:

Para la produccin de energa elctrica

-Satlites, equipos de comunicacin, medicina, estaciones remotas (150We-10KWe)-Propulsin de buques(barcos mercantes, portaviones, submarinos) (30Mwe - 50Mwe

-Para ciudades (100Mwe - 1200Mwe)Para la produccin de vapor de alta temperatura para:

Produccin de aluminio

Fabricacin de acero

Industria qumica

Recuperacin de petrleo

Recuperacin de esquisto bituminoso

Recuperacin de arena impregnada de brea

Gasificacin del carbn

En la produccin de vapor de baja temperatura para:

Invernaderos agrcolas

II a. Conversin Masa-EnergaLa tecnologa nuclear puede ser considerada como "fuente de energa" por excelencia ya que se desarrolla en el dominio de las transformaciones masa-energa, expresadas por la frmula fundamental: E=mc. Como ejemplo tenemos las reacciones de creacin de materia (transformacin de energa en materia) y la de desmaterializacin(transformacin de materia en energa).

La produccin de energa pura (desmaterializacin) se observa a partir del choque de dos electrones nucleares de carga elctrica opuesta: el negatrn y el positrn. Estas dos partculas materiales desaparecen en el choque y en su lugar aparece una onda electromagntica (energa pura) cuyo valor mnimo es de 1,02MeV, que corresponde a la suma de las masas de los dos electrones que desaparecieron.

El proceso inverso, denominado creacin de materia se produce cuando una onda electromagntica de un valor igual o superior a 1,02MeV es frenada. Como resultado desaparece la onda electromagntica y aparecen el negatrn y el positrn

(partculas)

II b. ENERGIA A PARTIR DE LA FISION NUCLEARLa fisin es una reaccin nuclear en la cual un ncleo pesado, como por ejemplo el Uranio235,al recibir el impacto de un neutrn, se fracciona en dos PF (Productos de Fisin); libera energa bajo forma de calor; y , en promedio, 2 neutrones:

n + U235 = PF1 + PF2 + 2n + Calor

Reaccin en cadena

Debido a la presencia de grandes cantidades de tomos de Uranio, y altos flujos de neutrones, en un sistema de fisin se producen una gran cantidad de estas reacciones, formndose lo que se denomina la reaccin en cadena.

MASA CRITICA

Se denomina as a la minima cantidad de Uranio que permite mantener una reaccin de fusin en cadena.II.c ENERGIA A PARTIR DE LA FUSION NUCLEAR

Fusionar dos ncleos es juntarlos para crear uno mas pesado. Esta reaccin nuclear es exotrmica y proporciona energa. Para la produccin de grandes cantidades de energa, es necesario realizar un gran nmero de reacciones de fusin, como sucede en las estrellas, en medio de temperaturas que llegan a los millones de grados Celsius.

Fig Reaccin de Fusin Nuclear D + T

Actualmente estn en desarrollo programas de investigacin para obtener el desarrollo comercial de un reactor de fusin, utilizando como combustible el Deuterio y el Tritio. El Deuterio se obtiene fcilmente a partir del agua de mar, constituyendo una fuente casi inagotable de combustible; mientras que el Tritio se genera a partir del Litio. Segn estimaciones de la Comunidad Econmica Europea, el potencial de la fusin nuclear equivaldra a unos quinientos depsitos de gasolina superior, siendo cada depsito de la capacidad del ocano pacfico.PILAS ATOMICAS: ENERGIA A PARTIR DE RADIOISOTOPOS

a. Generadores de electricidad RTG(Radioisotope Thermoelectric Generator)En este caso, se usan fuentes de Pu238 (potencia trmica 570W/Kg; Perodo de 87,7 aos). La transformacin del calor en energa elctrica es obtenida por termocuplas. Este tipo de generacin se caracteriza por un largo perodo de utilizacin (10 a 20 aos) y proporciona potencias elctricas del orden de algunos Kwe.

Se usan emisores alfa, ya que estas son detenidas totalmente en la misma fuente radioactiva, y toda su energa cintica es transformada en calor, aumentando la temperatura de la fuente, y convirtindola en un punto caliente de un generador elctrico a ciclo trmico. La generacin elctrica es asegurada por una serie de termocuplas.

b. Generadores de Calor RHU (Radioisotopic Heat Unit)

Son de baja potencia trmica y son utilizados como fuente de calor. Mantienen a una temperatura constante ciertos componentes durante la duracin de una misin. Una sonda planetaria tiene algunas centenas de RHU. Usan Pu238 como fuente de calor (1Wth)

Energa nuclear para misiones espacialesLos generadores elctricos son usados para la propulsin de satlites. La energa solar alrededor de la tierra llega a 1360 W/m y es suficiente para el funcionamiento de generadores fotovoltaicos. Esta energa disminuye al alejarnos del sol, y solo llega a 600 W/m en la orbita de Marte, lo que constituye el lmite de utilizacin de los paneles solares. Mas all de Marte, la energa elctrica para las sondas espaciales es proporcionada por generadores elctricos radioisotpicos.

El primer satlite Sputnik I fue alimentado por bateras qumicas, las cuales se agotaron despus de veintin das de funcionamiento. Las necesidades de investigaciones espaciales hacen necesario desarrollar nuevas fuentes de energa para continuar las actividades espaciales.

La sonda americana GALILEO, destinada a la exploracin de Jpiter, es abastecida de energa elctrica por 2 generadores radioisotpicos RTG de 250We cada uno.

La sonda europea ULISES, destinada a la exploracin de los polos del sol utiliza un generador radioisotpico RTG de 285 We, ha sido lanzada en 1990 y su potencia bajar a 250 We en el curso de la misin prevista en cinco aos.

La misin APOLO 16, sobre la luna, llev un sistema de deteccin ssmica alimentado por un RTG tipo Snap-27 de 60 We.

La sonda VOYAGER I, lanzada en 1977 fue equipada con tres generadores radiosiotpicos de 150 We cada uno, trasmiti imgenes excepcionales de Saturrno luego de un viaje de mas de diez aos.

Desde 1961, EEUU ha lanzado mas de 41 generadores elctricos radioisotpicos de potencia elctrica entre algunos watts para los primeros (RTG tipo SNAP 3-B) y 290 watts en tecnologa mas reciente, conocida como GPHS-RTG.

GENERACION ELECTRICA PARA LA MEDICINAA pesar de los progresos en el campo de las bateras qumicas, sigue siendo necesario utilizar generadores radioisotpicos para aplicaciones tales como estimuladores del ritmo cardiaco, principalmente. Los marcapasos radiosiotpicos utilizan Pu238, como combustible. LOS REACTORES NUCLEARES

Adems de proporcionar energa bajo forma de radiaciones, el ncleo del tomo tambin es una importante fuente de neutrones y de energa bajo forma de calor. El calor se utiliza mediante los Reactores Industriales, y los neutrones mediante los Reactores de Investigacin.

El Reactor Nuclear es una mquina trmica, muy similar en su funcionamiento, en cuanto a sus sistemas de extraccin y utilizacin del calor, a cualquier otra mquina trmica. Entre estas mquinas trmicas se pueden establecer diferencias en cuanto al combustible utilizado. Son muy conocidas las mquinas trmicas que usan petrleo, carbn o gas como combustible. En el caso de un Reactor Nuclear, el combustible est constituido por el uranio o el plutonio, conocidos bajo la denominacin genrica de combustibles nucleares.

Los Reactores Nucleares tienen, como elementos principales:

-El caldero

-El combustible

-El refrigerante

-Barras de Operacin y Seguridad

EL CALDERO

Es una vasija de acero inoxidable dentro de la cual se ubican el "combustible nuclear" y los dems elementos. En los reactores de Investigacin se usan vasijas abiertas en su extremo superior, por ello se les conoce tambin como piscina, el agua solo alcanza temperaturas del orden de los 30C. En los reactores industriales la vasija es completamente cerrada, similar a una olla de presin, ya que debe contener agua a altas temperaturas (300C); es un caldero de tipo pirotubular.

COMBUSTIBLES NUCLEARESLos materiales nucleares naturales, usados para la fabricacin de los combustibles nucleares, son tres: el U235(nico fisionable), el Th232; y el U238. A estos dos ltimos se les denomina frtiles, debido a que darn origen al U233 y al Pu239 (artificial) que son fisionables. El combustible nuclear, generalmente se presenta bajo forma de pastillas colocadas dentro de tubos largos y delgados, denominados vainas, conformando un lpiz combustible.

Los lpices combustibles son agrupados formando un paraleleppedo rectangular, denominado elemento combustible

Materiales combustibles fisionables

En todo combustible nuclear debe haber por lo menos, una especie fisionable, es decir U233; U235 o Pu239. Las tres especies derivan de dos fuentes naturales, que son el uranio y el torio.

U233Se produce a partir del Th232. Irradiando con neutrones el Th232, obtenemos el U233, lo que se puede lograr colocando Th232 en un reactor a U235, los neutrones se encargaran de esta transformacin. Las reservas de Torio son tres veces mayores que las de Uranio.

El Torio a su vez se presenta como material no proliferante de armas atmicas, debido a que cuando se forma el U233, se crea tambin U232, que es fuertemente radioactivo y muy peligrosos a manipular, requirindose grandes espesores de material de blindaje, lo que hace que el reprocesamiento y fabricacin de combustibles con U233, sean operaciones muy delicadas.

Pu239El plutonio no existe en la naturaleza en cantidades apreciables. Se obtiene de los reactores nucleares por irradiacin neutrnica del U238. Mediante un tratamiento de recuperacin a partir de los combustibles irradiados y bajo forma de dixido de Plutonio(PuO2) puede utilizarse como combustible nuclear.

Ciclo del Combustible NuclearSe conoce como ciclo del combustible nuclear a la trayectoria que sigue el combustible, desde su obtencin y metalurgia hasta su uso y disposicin final.

El ciclo del combustible para el Uranio, comprende las etapas de:

- Minera

- Concentracin

- Conversin

- Enriquecimiento

- Fabricacin del combustible

- Quemado en el reactor

- Tratamiento de residuos- Reprocesamiento- Almacenamiento de residuos

EL REFRIGERANTE

Los elementos combustibles son la fuente de calor y por ello es necesario refrigerarlos. El refrigerante ms comn es el agua desmineralizada. El agua, adems, se usa para extraer el calor producido. En los Reactores Industriales, el agua es convertida en vapor y bajo sta forma se le usa para dar movimiento a las turbinas.

LOS ELEMENTOS DE OPERACIN Y SEGURIDADEstn constituidos por lpices especiales. Es decir, contienen en su interior materiales absorbentes de neutrones tal como el cadmio. Su insercin y retiro, en los elementos combustibles, permitir la regulacin de la potencia del reactor; permitiendo su operacin en condiciones de seguridad.

Para el arranque de un reactor con combustible nuevo, ser necesario disponer de una fuente de neutrones. Posteriormente, la fisin producir los neutrones necesarios para iniciar el arranque del reactor, sin necesidad de una fuente de neutrones.

La insercin rpida y total de los elementos de seguridad, facilitar el apagado del reactor, sobretodo en casos de emergencia.

TIPOS DE REACTORES NUCLEARES

Aunque no se puede hacer una clasificacin nica, los reactores se pueden distinguir por:

1.-Tipo de reaccin nuclear

-Reactores de fisin nuclear

-Reactores de fusin nuclear

2.- El uso de los reactores:

- Reactores de investigacin

- Reactores industriales para produccin de energa elctrica

- Reactores industriales para produccin de vapor

-Reactores para produccin de fuerza motriz

-Reactores para produccin de combustibles

-Reactores como explosivos

3.- La naturaleza de los neutrones usados para provocar la fisin.

- Reactores trmicos

- Reactores intermedios

- Reactores rpidos

4.- La distribucin del combustible y del moderador

-Reactores homogneos (combustible y moderador mezclados)

-Reactores heterogneos (combustible separado del moderador)

5.- La naturaleza del combustible nuclear:

- Reactores con Oxido de Uranio

- Reactores con uranio natural

- Reactores con Uranio poco enriquecido (5%)

- Reactores con uranio muy enriquecido (40% ms)

- Reactores con Plutonio

6.- Tipo de moderador usado:

- Reactores de agua ordinaria

- Reactores de agua pesada

- Reactores a grafito

- Reactores con moderadores orgnicos

7.- Tipo de refrigerante:

- Reactores de agua liviana

- Reactores de agua pesada

- Reactores a aire

- Reactores a gas carbnico

- Reactores a sodio lquido

REACTORES DE FISION NUCLEAREn estos reactores se usa como combustible Uranio o Plutonio. Se emplean para producir neutrones o calor. Generalmente se denominan reactores de Investigacin a aquellos en los que se prioriza la produccin de neutrones; y se denominan reactores industriales a aquellos en los que se prioriza la produccin de calor, bajo forma de vapor de agua.

La fisin produce calor y es un problema clsico su utilizacin mediante intercambiadores de calor y turbinas, para la produccin de energa elctrica; actualmente estn funcionando ms de 400 reactores de este tipo, y usan como combustible el U235.

El reactor nuclear dispone de sistemas para el control de la reaccin de fisin. El uranio, que constituye el combustible, est contenido en tubos de zircaloy, los que convenientemente dispuestos se denominan elementos combustibles. Al interior de estos tubos de zircaloy se encuentran las pastillas de uranio en las cuales se desarrollan a cabo las reacciones de fisin y la produccin de calor. Los elementos combustibles son refrigerados por agua la que tambin cumple la funcin del fluido portador de calor (en fase vapor o en fase lquida a altas temperaturas), siendo ste vapor o lquido el que finalmente se emplea como fuente de energa trmica.

El conjunto del reactor nuclear industrial se puede considerar como un caldero pirotubular, para la produccin de vapor.

El combustible nuclear (material fisionable) est encerrado en tubos largos y delgados, llamados vainas; las cuales estn rodeadas de agua y dentro de un caldero llamado vasija. El agua, adems, se emplea para extraer el calor producido en la combustin nuclear, refrigerndolo.

La fisin produce calor, el que sirve para producir vapor de agua mediante intercambiadores de calor y turbinas para la produccin de energa elctrica.REACTORES DE FUSION NUCLEAR

Aun se encuentran en su etapa experimental. A pesar de las soluciones a los problemas energticos que se vienen adoptando, la gran esperanza es la obtencin de energa a partir de la fusin nuclear controlada. La realizacin de un reactor nuclear de fusin es un extraordinario desafo que debe ser aceptado y ganado en funcin a la importancia del problema energtico para la humanidad, y tambin del adicional desarrollo cientfico y tecnolgico asociado.REACTORES DE INVESTIGACION

Son Reactores proyectados para experimentos de irradiacin y produccin de radioistopos.

Los objetivos de estos reactores son:1.- Proporcionar neutrones para experimentos tales como:

- Espectroscopia de neutrones

- Medicin de secciones eficaces

- Difraccin neutrnica

- Anlisis por activacin

- Estudio de combustibles

- Estudio de materiales de soporte(vainas)

- Estudio de materiales de estructura

2.- Produccin de radioistopos para medicina, industria y aplicaciones diversas

REACTORES PARA PRODUCCION DE COMBUSTIBLE NUCLEAR (Reproductores)

Las reservas de U235, nico material fisionable existente en la naturaleza, son limitadas. Por sta razn se sta desarrollando la tecnologa necesaria para la operacin de los denominados Reactores Reproductores. Estos son reactores que, adems de producir calor, producen combustible nuclear.

Usan Pu239 como material fisionable, alrededor del cual se coloca U238. Al fisionarse el Pu239 produce 2 3 neutrones, uno de los cuales produce la fisin de otro Pu239 y los otros dos son absorbidos por ncleos de U238 que se transforman en dos ncleos de Pu239.

n + U238 ----> Pu239

CALOR

n + Pu239

n-----------------------------------------( Pu239

n + U238------> Pu239

Por tanto, a partir de de un ncleo de Pu239 se obtiene calor y dos ncleos de Pu239, motivo por el cual a este proceso se denomina "reproductor", casi se puede suponer que una vez que el reactor sea puesto en operacin, ser prcticamente autosuficiente en combustible.

Se logran tasas de reproduccin de hasta 1,3, producindose mas combustible del que se consume. Se estima que al cabo de 10 a 20 aos de operacin un reactor reproductor podra producir material fisionable para dotar de combustible a otro reactor similar. Los reactores reproductores brindan la oportunidad de aprovechar mejor los actuales recursos de uranio natural y del plutonio producido en los actuales reactores trmicos; pases como Japn compran Pu239 con el propsito de ir dejando de usar petrleo.

LOS EXPLOSIVOS NUCLEARES

El explosivo nuclear es un reactor diseado para utilizar los efectos mecnicos de las ondas de presin y del intenso calor producidos. Los efectos de la radiacin, aunque importantes, producen menos daos que los debidos a los efectos mecnicos. Actualmente el diseo de estos explosivos hace posible maximizar y minimizar cualquiera de los efectos mencionados

El desarrollo de las aplicaciones pacficas de la energa nuclear ha llevado a desarrollar la tecnologa necesaria para el empleo de los explosivos nucleares en la construccin de diques, explotacin minera, extraccin de petrleo. En la actualidad solo se tiene noticias del empleo de estas tcnicas para la extraccin de petrleo en la ex Unin Sovitica.

Explosivo de fision nuclear EMBED Word.Document.8 \s

EMBED Word.Document.8 \s

n

n CALOR (200MeV) n

Reaccin de Fisin del U235

PF1

U235

PF2

n

n

n

n n

n

n

1n 1raG=2n 2daG=4n 3raG=8n 4taG=16n

Fuente de

neutrones 1ra G 2da G 3ra G 4ta G

F

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

+ = + CALOR(17MeV) +

Deuterio Tritio He4

+

2 Batera; 3 Altmetro; 5 Masa Crtica;

9 Blindaje de Plomo; 10 Moderador (Parafina) ; 11 Fte de neutrones

_1288554199.doc

Electrn

positivo

Onda Electromagntica

Electrn

Negativo

_1288554162.doc

Electrn

Positivo

Onda Electromagntica

Electrn

Negativo