CENTRALES NUCLEARES

Una central o planta nuclear es una instalación industrial empleada para la generación de energía eléctrica a partir de energía nuclear.

DECIMO MECANICA

SALOMON VINCES

INTRODUCCION:

Una central o planta nuclear es una instalación industrial empleada para la generación de

energía eléctrica a partir de energía nuclear. Se caracteriza por el empleo de combustible nuclear

fisionable que mediante reacciones nucleares proporciona calor que a su vez es empleado, a

través de un ciclo termodinámico convencional, para producir el movimiento de alternadores

que transforman el trabajo mecánico en energía eléctrica. Estas centrales constan de uno o más

reactores.

El núcleo de un reactor nuclear consta de un contenedor o vasija en cuyo interior se albergan

bloques de un material aislante de la radioactividad, comúnmente se trata de grafito o de

hormigón relleno de combustible nuclear formado por material fisible (uranio-235 o plutonio-

239). En el proceso se establece una reacción sostenida y moderada gracias al empleo de

elementos auxiliares que absorben el exceso de neutrones liberados manteniendo bajo control la

reacción en cadena del material radiactivo; a estos otros elementos se les denominan

moderadores.

OBJETIVOS:

OBJETIVO GENERAL:

INVESTIGAR SOBRE LAS CENTRALES TERMICAS NUCLEARES

OBJETIVOS ESPECIFICOS:

VER SU FUNCIONAMINETO

EL COMBUSTIBLE A UTILIZAR

IMPACTO AMBIENTAL, SOCIAL, ECONOMICO Y LOS BENEFICIOS DE LA

MISMA

MARCO TEORICO:

Central nuclear

Una central o planta nuclear es una instalación industrial empleada para la generación de energía eléctrica a partir de energía nuclear. Se caracteriza por el empleo de combustible nuclear fisionable que mediante reacciones nucleares proporciona calor que a su vez es empleado, a través de un ciclo termodinámico convencional, para producir el movimiento de alternadores que transforman el trabajo mecánico en energía eléctrica. Estas centrales constan de uno o más reactores.

El núcleo de un reactor nuclear consta de un contenedor o vasija en cuyo interior se albergan bloques de un material aislante de la radioactividad, comúnmente se trata de grafito o de hormigón relleno de combustible nuclear formado por material fisible (uranio-235 o plutonio-239). En el proceso se establece una reacción sostenida y moderada gracias al empleo de elementos auxiliares que absorben el exceso de neutrones liberados manteniendo bajo control la reacción en cadena del material radiactivo; a estos otros elementos se les denominan moderadores.

Rodeando al núcleo de un reactor nuclear está el reflector cuya función consiste en devolver al núcleo parte de los neutrones que se fugan de la reacción.

Las barras de control que se sumergen facultativamente en el reactor, sirven para moderar o acelerar el factor de multiplicación del proceso de reacción en cadena del circuito nuclear.

El blindaje especial que rodea al reactor, absorbe la radiactividad emitida en forma de neutrones, radiación gamma, partículas alfa y partículas beta.

Un circuito de refrigeración externo ayuda a extraer el exceso de calor generado.

Torres de refrigeración de la central nuclear de Cofrentes, España, expulsando vapor de agua.

Las instalaciones nucleares son construcciones complejas por la escasez de tecnologías industriales empleadas y por la elevada sabiduría con la que se les dota. Las características de la reacción nuclear hacen que pueda resultar peligrosa si se pierde su control.

La energía nuclear se caracteriza por producir, además de una gran cantidad de energía eléctrica, residuos nucleares que hay que albergar en depósitos especializados. Por otra parte no produce contaminación atmosférica de gases derivados de la combustión que producen el efecto invernadero, ya que no precisan del empleo de combustibles fósiles para su operación.

1- Edificio de contención. 2- Torre de refrigeración. 3- Reactor. 4- Barras de control. 5- Acumulador de presión. 6- Generador de vapor. 7-Combustible nuclear. 8- Turbina. 9- Generador eléctrico. 10-Transformador. 11-Condensador. 12-Vapor. 13-Líquido saturado. 14-Aire ambiente. 15-Aire húmedo. 16-Río. 17-Circuito de refrigeración. 18-Circuito primario. 19-Circuito secundario. 20-Emisión de aire húmedo

(con vapor de agua). 21-Bomba de vapor de agua.

FUNCIONAMIENTO

Las centrales nucleares constan principalmente de cuatro partes:

1. El reactor nuclear, donde se produce la reacción nuclear.2. El generador de vapor de agua (sólo en las centrales de tipo PWR).3. La turbina, que mueve un generador eléctrico para producir electricidad con la

expansión del vapor.4. El condensador, un intercambiador de calor que enfría el vapor transformándolo

nuevamente en líquido.

El reactor nuclear es el encargado de realizar la fisión de los átomos del combustible nuclear, como uranio, generando como residuo el plutonio, liberando una gran cantidad de energía calorífica por unidad de masa de combustible.

El generador de vapor es un intercambiador de calor que transmite calor del circuito primario, por el que circula el agua que se calienta en el reactor, al circuito secundario, transformando el agua en vapor de agua que posteriormente se expande en las turbinas, produciendo el movimiento de éstas que a la vez hacen girar los generadores, produciendo la energía eléctrica. Mediante un transformador se aumenta la tensión eléctrica a la de la red de transporte de energía eléctrica.

Después de la expansión en la turbina el vapor es condensado en el condensador, donde cede calor al agua fría refrigerante, que en las centrales PWR procede de las torres de refrigeración. Una vez condensado, vuelve al reactor nuclear para empezar el proceso de nuevo.

Las centrales nucleares siempre están cercanas a un suministro de agua fría, como un río, un lago o el mar, para el circuito de refrigeración, ya sea utilizando torres de refrigeración o no.

SISTEMA DE REFRIGERACIÓN EN UNA CENTRAL NUCLEAR

El sistema de refrigeración se encarga de que se enfríe el reactor. Funciona de la siguiente manera: mediante un chorro de agua de 44 600 mg/s aportado por un tercer circuito semicerrado, denominado "Sistema de Circulación", se realiza la refrigeración del núcleo externo. Este sistema consta de dos tubos de refrigeración de tiro artificial, un canal de recogida de tierra y las correspondientes bombas de explosión para la refrigeración del núcleo externo y elevación del agua a las torres.

SEGURIDAD

Como cualquier actividad humana, una central nuclear de fisión conlleva riesgos y beneficios. Los riesgos deben preverse y analizarse para poder ser mitigados. A todos aquellos sistemas diseñados para eliminar o al menos minimizar esos riesgos se les llama sistemas de protección y control. En una central nuclear de uso civil se utiliza una aproximación llamada defensa en profundidad. Esta aproximación sigue un diseño de múltiples barreras para alcanzar ese propósito. Una primera aproximación a las distintas barreras utilizadas (cada una de ellas múltiple), de fuera a dentro podría ser:

1. Autoridad reguladora: es el organismo encargado de velar que el resto de barreras se encuentren en perfecto funcionamiento. No debe estar vinculado a intereses políticos ni empresariales, siendo sus decisiones vinculantes.

2. Normas y procedimientos: todas las actuaciones deben regirse por procedimientos y normas escritas. Además se debe llevar a cabo un control de calidad y deben estar supervisadas por la autoridad reguladora.

3. Primera barrera física (sistemas pasivos): sistemas de protección intrínsecos basados en las leyes de la física que dificultan la aparición de fallos en el sistema del reactor. Por ejemplo el uso de sistemas diseñados con reactividad negativa o el uso de edificios de contención.

4. Segunda barrera física (sistemas activos): reducción de la frecuencia con la que pueden suceder los fallos. Se basa en la redundancia, separación o diversidad de sistemas de seguridad destinados a un mismo fin. Por ejemplo las válvulas de control que sellan los circuitos.

5. Tercera barrera física: sistemas que minimizan los efectos debidos a sucesos externos a la propia central. Como los amortiguadores que impiden una ruptura en caso de sismo.

6. Barrera técnica: todas las instalaciones se instalan en ubicaciones consideradas muy seguras (baja probabilidad de sismo o vulcanismo) y altamente despobladas.

7. Salvaguardas técnicas.

TIPO DE CENTRALES NUCLEARES

Existen muchos tipos de centrales nucleares cada una con sus propias ventajas e inconvenientes. En primer lugar hay centrales basadas en fisión nuclear y en fusión nuclear, aunque éstas se encuentran actualmente en fase experimental y son solo de muy baja potencia.

Las centrales de fisión se dividen en dos grandes grupos: por un lado los reactores térmicos y por otro los rápidos. La diferencia principal entre estos dos tipos de reactores es que los primeros presentan moderador y los últimos no. Los reactores térmicos (los más utilizados en la actualidad) necesitan para su correcto funcionamiento que los neutrones emitidos en la fisión, de muy alta energía sean frenados por una sustancia a la que se llama moderador, cuya función es precisamente esa. Los reactores rápidos (de muy alta importancia en la generación III+ y IV) sin embargo no precisan de este material ya que trabajan directamente con los neutrones de elevada energía sin una previa moderación.

REACTORES NUCLEARES DE FISIÓN

Un reactor nuclear de fisión es una instalación capaz de iniciar, mantener y controlar las reacciones de fisión en cadena, disponiendo de los medios adecuados para extraer el calor generado.

Los elementos esenciales que forman un reactor nuclear son:

Combustible. Formado por un material fisionable, generalmente compuesto de uranio en el que tienen lugar las reacciones de fisión. Es, por lo tanto, la fuente de generación de

calor.

Moderador. Hace disminuir la velocidad de los neutrones rápidos generados en la fisión, manteniendo la reacción. Se acostumbra a utilizar agua, agua pesada, helio, grafito o sodio metálico.

Elementos de control. Permiten controlar en todo momento la población de neutrones y mantener estable el reactor.

Refrigerante. Extrae el calor generado por el combustible. Generalmente se utilizan refrigerantes líquidos como el agua ligera y el agua pesada o gases como el anhídrido carbónico y el helio.

Blindaje. Evita que les radiaciones y los neutrones del reactor se escapen al exterior. Se acostumbra a usar hormigón, acero o plomo.

Elementos de seguridad. Todas las centrales nucleares de fisión disponen de múltiples sistemas que evitan que se produzcan accidentes que provoquen una liberación de la radioactividad al exterior del reactor nuclear.

LA RADIOACTIVIDAD

La radiación es la emisión o propagación de energía en forma de ondas o de partículas subatómicas como, por ejemplo, las ondas electromagnéticas emitidas por el Sol o las partículas emitidas por sustancias radioactivas.

La radioactividad es una propiedad interna de los átomos, por eso está muy relacionada con el estudio de la estructura de la materia. Numerosos científicos colaboraron en estos descubrimientos: Rutherford, Pierre y Marie Curie, Bequerel, Geiger y Marsden, Planck, Bohr, Hertz, entre muchos más.

EMISIONES RADIOACTIVAS

Cuando se produce alguna transformación en los núcleos atómicos se emiten partículas y radiaciones electromagnéticas de elevada frecuencia. Hay elementos que pueden producir este fenómeno de manera natural y hay otros de los cuales se pueden obtener isótopos radioactivos de forma artificial.

Radioactividad natural

Puede ofrecer tres tipos de transiciones radioactivas, a cada una de las cuales le corresponde un tipo de radiación:

Radiación Alfa. Una desestabilización del núcleo puede llegar a hacer que dos protones y dos neutrones se junten y formen un núcleo de helio con energía suficiente como para abandonar el núcleo inicial.

Radiación Beta. En esta radiación un neutrón se transforma en un protón. Esta radiación es mucho más penetrante que la radiación Alfa y para frenarla es necesaria una lámina de aluminio de unos cuantos milímetros de grosor. Por lo tanto, puede afectar fácilmente a los tejidos humanos.

Radiación Gamma. Consiste en una radiación electromagnética emitida por un núcleo en estado de excitación. Cuando desparece la excitación siempre se forma un núcleo más estable. Esta es muy difícil de parar, pudiendo traspasar con naturalidad el cuerpo humano.

FISIÓN NUCLEAR

En física nuclear, la fisión es una reacción nuclear, lo que significa que tiene lugar en el núcleo atómico. La fisión ocurre cuando un núcleo pesado se divide en dos o más núcleos pequeños, además de algunos subproductos como neutrones libres, fotones (generalmente rayos gamma) y otros fragmentos del núcleo como partículas alfa (núcleos de helio) y beta (electrones y positrones de alta energía).

La fisión de núcleos pesados es un proceso exotérmico, lo que supone que se liberan cantidades sustanciales de energía. El proceso genera mucha más energía que la liberada en las reacciones químicas convencionales, en las que están implicadas las cortezas electrónicas; la energía se emite, tanto en forma de radiación gamma como de energía cinética de los fragmentos de la fisión, que calentarán la materia que se encuentre alrededor del espacio donde se produzca la fisión.

La fisión se puede inducir por varios métodos, incluyendo el bombardeo del núcleo de un átomo fisionable con una partícula de la energía correcta; la partícula es generalmente un neutrón libre. Este neutrón libre es absorbido por el núcleo, haciéndolo inestable (a modo de ejemplo, se podría pensar en la inestabilidad de una pirámide de naranjas en el supermercado, al lanzarse una naranja contra ella a la velocidad correcta). El núcleo inestable entonces se partirá en dos o más pedazos: los productos de la fisión que incluyen dos núcleos más pequeños, hasta siete neutrones libres (con una media de dos y medio por reacción), y algunos fotones.

Los núcleos atómicos lanzados como productos de la fisión pueden ser varios elementos químicos. Los elementos que se producen son resultado del azar, pero estadísticamente el resultado más probable es encontrar núcleos con la mitad de protones y neutrones del átomo fisionado original.

REACCIÓN EN CADENA

Una reacción en cadena ocurre como sigue: un acontecimiento de fisión empieza lanzando 2 ó 3 neutrones en promedio como subproductos. Estos neutrones se escapan en direcciones al azar y golpean otros núcleos, incitando a estos núcleos a experimentar fisión. Puesto que cada acontecimiento de fisión lanza 2 o más neutrones, y estos neutrones inducen otras fisiones, el proceso se acelera rápidamente y causa la reacción en cadena. El número de neutrones que escapan de una cantidad de uranio depende de su área superficial. Solamente los materiales fisibles son capaces de sostener una reacción en cadena sin una fuente de neutrones externa. Para que la reacción en cadena de fisión se lleve a cabo es necesario adecuar la velocidad de los neutrones libres, ya que si impactan con gran velocidad sobre el núcleo del elemento fisible, puede que simplemente lo atraviese o lo impacte, y que este no lo absorba.

URANIO-235 (235U)

El uranio-235 (235U) es un isótopo del uranio que se diferencia del uranio-238, el isótopo más común del elemento, en su capacidad para provocar una reacción en cadena de fisión que se expande rápidamente, es decir, que es un isótopo fisible. De hecho, el uranio-235 es el único isótopo fisible que se encuentra en la naturaleza. Fue descubierto en 1935 por Arthur Jeffrey Dempster. El uranio-235 tiene un periodo de semidesintegración de 700 millones de años.

Un núcleo de uranio que absorba un neutrón libre se dividirá en dos núcleos más ligeros; a esto se le llama fisión nuclear. En el proceso se liberan dos o tres neutrones que prosiguen la reacción. En los reactores nucleares, la reacción es ralentizada por la adición de barras de control, que están fabricadas con elementos químicos tales como el boro, el cadmio y el hafnio los cuales pueden absorber un gran número de neutrones. En las bombas nucleares, la reacción no se controla y la gran cantidad de energía que se libera crea una explosión nuclear.

La fisión de un átomo de 235U genera 200 MeV = 3,2·10-11 J, es decir, 18 TJ/mol = 77 TJ/kg.

Sólo alrededor del 0,72 % de todo el uranio natural es uranio-235, el resto es básicamente uranio-238. Esta concentración es insuficiente para mantener por sí misma una reacción nuclear en una masa de uranio puro o de un reactor de agua ligera. El enriquecimiento de uranio, que significa precisamente la separación del uranio-238, debe realizarse para conseguir concentraciones de uranio-235 utilizables en los reactores del tipo CANDU, en otros reactores de agua pesada, y algunos reactores regulados por grafito. Para una explosión se requiere una pureza de aproximadamente el 90 %.

IMPACTO AMBIENTAL DE LAS CENTRALES NUCLEARES

Más información sobre centrales nucleares y reactores de fisión en Endesa EducaCabe destacar que las centrales nucleares no envían a la atmósfera óxidos de carbono, azufre, nitrógeno ni otros elementos derivados a la combustión, como las cenizas. Por lo tanto, no contribuyen al calentamiento global, el cual es el responsable del clima del planeta o la lluvia ácida.

No obstante, debe tenerse precaución en la generación de electricidad mediante la energía nuclear, tanto en la extracción, el concentrado y enriquecimiento del uranio como en la propia producción de energía eléctrica.

La producción de energía eléctrica en centrales nucleares genera residuos radioactivos de larga duración que deben almacenarse en la misma central y en depósitos especiales para materiales radioactivos.

Las centrales nucleares han estado siempre sujetas a un estricto control reglamentario institucional difícil de igualar por otras actividades industriales. Esta reglamentación tiene en cuenta todas y cada una de las fases que forman el ciclo de producción, contemplando también la protección de los trabajadores, el público en general y el desmantelamiento de la central al final de su vida útil.