UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUS-TÍN

FACULTADDE INGENIERÍA DE PRODUCCIÓN Y SERVICIOS

ESCUELA PROFESIONALDE INGENIERÍA MECÁNICA

CURSO

“FUERZA MOTRIZ TERMICA”

TEMA: CAPTULO #10

“PLANTAS DE ENERGIA NUCLEAR”

DOCENTE:

Ing. CIBRIAN GUTIERREZ

PRESENTADO POR:

ALVAREZ DIAZ, CARLOS IVAN C.U.I:20042926 ARCE PAURO, RENATO GUILLERMO C.U.I: 20071823

CHIRINOS, GENGIS C.U.I.

AREQUIPA- PERÚ2014-A

PLANTAS DE ENERGIA NUCLEAR

OBJETIVOS

GENERAL

• Aprender cómo es la base del funcionamiento de una planta nuclear

ESPECIFICOS

Comprender cuál es la función y el funcionamiento de las plantas nucleares

Conocer las ventajas y desventajas del uso de la energía nuclear

Conocer como están conformadas las centrales nucleares

Conocer con que equipos se puede generar energía nuclear

INTRODUCCION

La energía nuclear con el paso del tiempo se ha vuelto muy importante para el desarrollo de tecnologías en diferentes áreas entre ellas la salud y generación de energía sin el uso de biomasa, estos avances han mejorado la calidad de vida en muchos países del mundo.

Por eso se ha venido investigando a fondo sobre esta forma de producir energía para que en el futuro se presenten menos consecuencias y para que esta poderosa energía se use para fines benéficos para toda la humanidad.

A pesar de que las la energía nuclear se creó originalmente para fines benéficos, el tema "nuclear" es bastante polémico, pues es considerado un instrumento de avance, tecnología y bienestar, pero al mismo tiempo es considerado un potente destructor.

El debate sobre el uso de la energía nuclear gira en torno a su alta inseguridad con respecto al medio ambiente por la radiación y los desechos radiactivos de alta actividad que se ha utilizado últimamente en contra de la humanidad como arma de destrucción masiva tras las bombas en Hiroshima y Nagasaki, y a su relación con enfermedades como el cáncer.

El conocimiento de los efectos biológicos de la radiación se ha desarrollado en paralelo al de sus aplicaciones, tratando de encontrar el justo equilibrio entre ventajas e inconvenientes.

Para conocer sobre las centrales nucleares, es necesario primero aprender sobre los principios básicos en los que se basan para la generación de este tipo de energía. Por eso se encuentran a continuación estos conceptos básicos de física nuclear.

El átomo

Isótopos

Fuerzas nucleares

Radioactividad

Liberación de energía nuclear

Fusión nuclear

Reacción en cadena

El átomo

Actualmente, sabemos que el átomo está formado por un pequeño núcleo, cargado positivamente, rodeado de electrones. El núcleo, que contiene la mayor parte de la masa del átomo, está compuesto a su vez de neutrones y protones, unidos por fuerzas nucleares muy intensas, mucho mayores que las fuerzas eléctricas que ligan los electrones al núcleo; respecto al tamaño y masa del átomo.

Isótopos

Una especie atómica viene definida por dos números enteros: el número de protones que hay en el núcleo y el número total de protones más neutrones. El primero, llamado número atómico, Z, 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. El segundo número, denominado número másico, A, es el número entero más próximo a la masa (expresada en unidades de masa atómica) del átomo en cuestión; es decir, todos los átomos con A igual a 2 tienen una masa de, aproximadamente, 2 unidades másicas; los que tienen A = 235, tienen una masa de unas 235 unidades de masa atómica.

Fuerzas nucleares

La teoría nuclear moderna se basa en la idea de que los núcleos están formados por neutrones y protones que se mantienen unidos por fuerzas "nucleares" extremadamente poderosas. Para estudiar estas fuerzas nucleares, los físicos tienen que perturbar los neutrones y protones bombardeándolos con partículas extremadamente energéticas. Estos bombardeos han revelado más de 200 partículas elementales, minúsculos trozos de materia, la mayoría de los cuales, sólo existe durante un tiempo mucho menor a una cienmillonésima de segundo.

Este mundo subnuclear salió a la luz por primera vez en los rayos cósmicos. Estos rayos están constituidos por partículas altamente energéticas que bombardean constantemente la

Tierra desde el espacio exterior; muchas de ellas atraviesan la atmósfera y llegan incluso a penetrar en la corteza terrestre. La radiación cósmica incluye muchos tipos de partículas, de las que algunas tienen energías que superan con mucho a las logradas en los aceleradores de partículas. Cuando estas partículas de alta energía chocan contra los núcleos, pueden crearse nuevas partículas.

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.

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:

o 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.

o 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.

o 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.

Radioactividad artificial

Cuando se bombardea un núcleo con las partículas adecuadas , estas pueden penetrar en el núcleo y formar uno nuevo.

Liberación de energía nuclear

En 1905, Albert Einstein desarrolló la ecuación que relaciona la masa y la energía como parte de su teoría de la relatividad especial. E = mc2

Dicha ecuación afirma que una masa determinada (m) está asociada con una cantidad de energía (E) igual a la masa multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz (c). Una cantidad muy pequeña de masa equivale a una cantidad enorme de energía. Como más del 99% de la masa del átomo reside en su núcleo, cualquier liberación de grandes cantidades de energía atómica debe provenir del núcleo.

Hay dos procesos nucleares que tienen gran importancia práctica porque proporcionan cantidades enormes de energía:

fisión nuclear: la escisión de un núcleo pesado en núcleos más ligeros

fusión termonuclear: la unión de dos núcleos ligeros (a temperaturas extremadamente altas) para formar un núcleo más pesado.

El físico estadounidense de origen italiano Enrico Fermi logró realizar la fisión en 1934, pero la reacción no se reconoció como tal hasta 1939, cuando los científicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann anunciaron que habían fisionado núcleos de uranio bombardeándolos con neutrones. Esta reacción libera a su vez neutrones, con lo que puede causar una reacción en cadena con otros núcleos. En la explosión de una bomba atómica se produce una reacción en cadena incontrolada. Las reacciones controladas, por otra parte, pueden utilizarse para producir calor y generar así energía eléctrica, como ocurre en los reactores nucleares.

La fusión termonuclear se produce en las estrellas, entre ellas el Sol, y constituye su fuente de calor y luz. La fusión incontrolada se da en la explosión de una bomba de hidrógeno. En la actualidad, se está intentando desarrollar un sistema de fusión controlada.

Fisión nuclear

Para poder obtener energía manipulando los núcleos de un o varios átomos podemos hacerlo de dos formas distintas. Uniendo núcleos de átomos distintos (entonces hablamos de fusión nuclear) o partiendo núcleos de un determinado átomo (caso de la fisión nuclear)

En energía nuclear llamamos fisión nuclear a la división del núcleo de un átomo. El núcleo se convierte en diversos fragmentos con una masa casi igual a la mitad de la masa original más dos o tres neutrones.

La fisión nuclear puede ocurrir cuando un núcleo de un átomo pesado captura un neutrón (fisión inducida), o puede ocurrir espontáneamente debido a la inestabilidad del isótopo (fisión espontánea).

La fisión nuclear controlada

Para mantener un control sostenido de reacción nuclear, por cada 2 o 3 neutrones puestos en libertad, sólo a uno se le debe permitir dar a otro núcleo de uranio. Si esta relación es

inferior a uno entonces la reacción va a morir, y si es más grande va a crecer sin control (una explosión atómica). Para controlar la cantidad de neutrones libres en el espacio de reacción debe estar presente un elemento de absorción de neutrones. La mayoría de los reactores son controlados por medio de barras de control hechas de neutrones de un fuerte material absorbente, como el boro o el cadmio.

Además de la necesidad de capturar neutrones, los neutrones a menudo tienen mucha energía cinética. Estos neutrones rápidos se reducen a través del uso de un moderador, como el agua pesada y el agua corriente. Una vez que los neutrones rápidos se han desacelerado, son más propensos a producir más fisiones nucleares o ser absorbidos por las barra de control.

Fisión nuclear espontánea

En este tipo de reacciones no es necesaria la absorción de un neutrón exterior. En determinados isótopos del uranio, y sobre todo del plutonio, tienen una estructura atómica tan inestable que se fisiona espontáneamente.

Fusión nuclear

La fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos núcleos de átomos ligeros, en general el hidrógeno y sus isótopos (deuterio y tritio), se unen para formar otro núcleo más pesado.

Esta reacción de fusión nuclear libera o absorbe una gran cantidad de energía en forma de rayos gamma y también de energía cinética de las partículas emitidas. Esta gran cantidad de energía permite a la materia entrar en estado de plasma.

Las reacciones de fusión nuclear pueden emitir o absorber energía. Si los núcleos que se van a fusionar tienen menor masa que el hierro se libera energía. Por el contrario, si los núcleos atómicos que se fusionan son más pesados que el hierro la reacción nuclear absorbe energía.

No confundir la fusión nuclear con la fusión del núcleo de un reactor, que se refiere a la fusión del núcleo del reactor de una central nuclear debido al sobrecalentamiento producido por la deficiente refrigeración. Durante el accidente nuclear de Fukushima, se utilizaba esta expresión frecuentemente.

Fusión nuclear en la naturaleza

Las estrellas, incluido el Sol, experimentan constantemente reacciones de fusión nuclear. La luz y el calor que percibimos del Sol es el resultado de estas reacciones nucleares de fusión: núcleos de hidrógeno chocan entre sí, y se fusionan dando lugar a un núcleo más pesado de helio liberando una enorme cantidad de energía. La energía liberada llega a la Tierra en forma de radiación electromagnética.

A las reacciones de fusión nuclear también se les llama reacciones termonucleares debido a las altas temperaturas que experimentan.

Ventajas de la fusión nuclear frente a la fisión nuclear

Actualmente la generación de energía eléctrica en los reactores nucleares se realiza mediante reacciones de fisión nuclear. La fusión nuclear, por el momento, no es aplicable para generar energía eléctrica. Está en vía de desarrollo, pero si la fusión nuclear fuera practicable, ofrecería las grandes ventajas respecto a la fisión nuclear:

• Obtendríamos una fuente de combustible prácticamente inagotable.• Evitaríamos accidentes en el reactor por las reacciones en cadena que se producen

en las fisiones.• Los residuos generados son mucho menos radiactivos.

Por otra parte, la energía nuclear de fusión es inviable debido a la dificultad para calentar el gas a temperaturas tan altas y para mantener un número suficiente de núcleos durante un tiempo suficiente para obtener una energía liberada superior a la necesaria para calentar y retener el gas resulta altamente costoso.

Reacciones nucleares en cadena

• Una reacción en cadena es un proceso mediante el cual los neutrones que se han liberado en una primera fisión nuclear producen una fisión adicional en al menos un núcleo más. Este núcleo, a su vez produce neutrones, y el proceso se repite.

• Estas reacciones en cadena pueden ser controladas o incontroladas. Las reacciones controladas serían las reacciones nucleares producidas en centrales nucleares en que

el objetivo es generar energía eléctrica de forma constante. Las reacciones nucleares incontroladas se dan en el caso de armas nucleares.

Si en cada fisión provocada por un neutrón se liberan dos neutrones más, entonces el número de fisiones se duplica en cada generación. En este caso, en 10 generaciones hay 1.024 fisiones y en 80 generaciones aproximadamente 6 x 1023 fisiones

Velocidad de los electrones

A los electrones se les clasifica como lentos o rápidos según la velocidad que lleven al momento de golpear el núcleo atómico.

Los rápidos llevan velocidades por encima de la velocidad de resonancia, es decir 8.000 km/s.

Los lentos alcanzan velocidades de 2.500 m/s.

Reacción nuclear

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.

Entre los tipos más importantes de reacciones nucleares debemos citar:

Dispersión: En ellas la partícula 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 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.

Ciclo del combustible

Se conoce como 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 radiactivos 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.

LAS CENTRALES NUCLEARES

Las centrales nucleares son centrales termoeléctricas, una instalación que aprovecha una fuente de calor para convertir en vapor de a alta temperatura un líquido que circula por un conjunto de conductos; dicho vapor acciona un grupo turbina alternador, produciendo así la energía eléctrica. La diferencia esencial con entre las centrales termoeléctricas nucleares y las clásicas reside en la fuente de calor, en las clásicas este se consigue mediante la combustión de fuel - oil, carbón o gas en una caldera. En las nucleares mediante la fisión de núcleos de uranio.

Los reactores nucleares son máquinas que permiten iniciar, mantener y controlar una reacción en cadena de fisión nuclear

Aplicación

La principal aplicación es generar energía eléctrica para el uso normal de millones de personas en todo el mundo en las actividades diarias, generar energía para el movimiento de submarinos, motores

La energía nuclear tiene diversas aplicaciones entre las cuales encontramos el desarrollo de tecnología utilizando las radiaciones para acabar con algunas enfermedades, para acabar con plagas en los cultivos. Claro está que la parte benéfica de las radiaciones depende de qué tipo se use si es radiación ionizante o radiación no ionizante.

Funcionamiento

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.

El combustible de Uranio o Plutonio es introducido en el reactor bajo la forma de unas barras cilíndricas revestidas con una cubierta metálica. Las barras de combustible deben ser capaces de resistir las altas temperaturas a las que funciona un reactor.

Su calor es extraído por el agente de enfriamiento el cual lo transporta fuera del reactor, donde la cede a otro sistema de generación de vapores que pone en movimiento las turbinas de los generadores de energía eléctrica. El vapor descompresionado posteriormente se envía dentro de un condensador donde se convierte en agua que es nuevamente enviada al generador de vapores. El agua de enfriamiento del condensador es con regularidad sacada de los cursos de agua cercanos.

Componentes de una central nuclear

Edificio de contención

Se le conoce como la vasija del rector, 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). Estas barreras resisten las cargas que pudieran producir hipotéticos movimientos sísmicos y evitar la salida de la radioactividad al exterior en caso de accidente. Este suele tener una forma esférica o cilíndrica rematada por una cúpula semiesférica. Se pueden encontrar reactores con alturas de 60 m y 40 m de diámetro.

Edificio de manipulación del Combustible

Este sirve tanto para almacenar las nuevas cargas de combustible como para guardar en piscinas el combustible ya utilizado hasta que sea trasladado a un centro de reprocesamiento.

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 España, 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.

Centro de reprocesamiento

En el se extraen los materiales aún aprovechables. este sitio y el edificio de contención suelen estar conectados para poder trasladar los elementos radiactivos sin salir de la zona controlada de la central, la cual se encuentra completamente aislada del resto de las dependencias

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.

Barras de combustible

Los elementos combustibles se construyen de barras del uranio natural o enriquecido en forma metálica o del óxido, dependiendo del tipo de reactor.

Las barras están contenidas en un material conveniente para evitar que los productos de la fisión se filtren en la secuencia del líquido refrigerador. Este material de la contención varía, encontramos la aleación del magnesio, aleación del circonio, o inoxidable estos pueden ser utilizados dependiendo de la tecnología implicada.

Estas de barras están llenas de uranio, los neutrones se emiten mientras que el material radiactivo que está dentro se al bombardea con neutrones a una velocidad determinada.

La energía que se crea por el proceso de la fisión es la que da el calor necesario que se transfiere al agua para crear vapor presurizado para mover las turbinas y generar electricidad.

El combustible nuclear durante su estancia en el núcleo del reactor se encuentra sometido a una elevada irradiación neutrónica, transformándose su constitución a lo largo del tiempo.

Antes de introducir el combustible, se pueden caracterizar tres partes distintas:

a) El propio combustible (UO2).

b) La vaina.

c) Materiales estructurales (rejillas, tubos guía, etc.).

Con la irradiación, estos materiales experimentan las siguientes transformaciones:

Un reactor de 1.000 MW de potencia utiliza entre 20 y 30 t de combustible por año. En el combustible gastado está contenida más del 99,5 % de la radiactividad artificial que se genera en la producción de energía eléctrica en las centrales nucleares.

El combustible gastado contiene los productos de fisión y los elementos transuránidos generados durante el quemado del combustible en el reactor, así como el uranio no consumido (considerando el caso más general de no reelaboración del combustible gastado). Los productos de fisión son emisores gamma y beta, siendo únicamente la radiación gamma la que tiene un poder de penetración grande y, consecuentemente, está presente en el exterior del combustible con un valor que depende del tipo de radisótopo considerado; la radiación beta nunca sale al exterior del combustible. Estos emisores gamma, teniendo en cuenta su periodo de semidesintegración y su energía, en unos 700 años habrán decaído a valores radiactivos de fondo natural.

El uranio no consumido y los elementos transuránidos son, esencialmente, emisores alfa de bajo poder de penetración (tienen las mismas características que los minerales radiactivos); desde el punto de vista de las radiaciones emitidas no constituyen riesgo tras un periodo de almacenamiento de 700 años, al igual que los productos de fisión. Estos elementos, por tanto, son sólo peligrosos si se liberan y encuentran camino para ser inhalados (para lo que es preciso que sean transformados en gases) o ingeridos (para lo que es preciso que entren en la cadena alimentaria de vegetales, animales y personas). Es decir, el impacto de un almacén de residuos de alta actividad, una vez transcurridos 700 años, sería análogo al que puede producir un depósito de seguridad l

Una pieza importante del reactor es el " asesor ", dentro del cual los neutrones se mueven alrededor de muchos núcleos sin ser absorbidos, gradualmente por el movimiento la energía se va perdiendo.

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.

Asimismo cuanta con otras dependencias, como el tratamiento de aguas, almacenamiento temporal de residuos, laboratorios, talleres y un parque eléctrico propio formado por generadores accionados por grupos diesel que se utiliza en las operaciones de parada segura del reactor en emergencia y en general para ser empleado en toda circunstancia en la que la central no pueda disponer de energía de la red.

Clasificación de los reactores

Clasificación general

CriteriosCombustible Uranio 233- Uranio 235- Plutonio 239Material fértil Torio 232- Uranio 238

RefrigeranteAnhídrido carbónico, Helio, Agua, Agua Pesada, Bencina Difenilo, Bencina Trifenilo, Mercurio Sodio, Potasio, Aleación sodio-potasio, Litio, Galio.

Moderador Agua, Agua pesada, Grafito, BerilioNaturaleza del combustible Homogéneo y heterogéneo

Energía de los neutrones Lentos, rápidos. IntermediosFinalidad Simples, convertidores, reproductores

A partir del cuadro anterior si se intenta una clasificación el número de reactores que pueden llegar a existir es de 3.744, pero por diversas causas muchos de estos reactores son irrealizables.

Por esto el número de reactores de disminuye mucho y se consideran por el momento 8 reactores característicos.

De acuerdo al material fisionable

Según sean las proporciones del material fisionable y de la materia fértil se pueden obtener tres clases de reactores nucleares.

Reactores simples: en estos se busca ante todo la producción de energía calorífica.

Estos reactores queman uranio natural, con enriquecimiento de Uranio 235.

Reactores convertidores: estos tienen una función mixta. Utilizan uranio natural y en ellos se transforma en energía calorífica todo el uranio 235 contenidos en el uranio natural, y además convierten una parte del U238 en plutonio 239 para ser utilizado posteriormente en otros reactores adecuados.

Reactores reproductores: su misión fundamental es producir materiales fisionables a partir de materiales fértiles, es decir que la producción de energía calorífica se estima secundaría e, incluso en algunos reactores se considera pérdida. Los dos materiales fértiles más importantes son el Uranio 238 y el torio 232. El reactor reproductor contiene una carga inicial de uranio 235 o bien de plutonio 239, rodeada de material fértil. De esta manera la carga de combustible inicia la reacción en cadena y se transforma el uranio 238 en plutonio 239, en otro caso el torio 232 en uranio 233.

Casi todos los reactores que existen son reactores heterogéneos, en ellos, los elementos de combustible están aislados entre sí. En los reactores homogéneos, el combustible es una pasta de sulfato de Uranio, Óxido de uranio, aleación uranio - bismuto, etc., introducida en

una caldera, esta pasta sirve a la vez como combustible, como moderador y como refrigerante. Solamente puede utilizares combustible enriquecido. Estos reactores están en estudio y solo se han construido de pequeña potencia, con fine experimentales

A continuación los reactores homogéneos.

Clasificación comercial

Existen varios tipos de reactores nucleares, que incorporan soluciones y tecnologías diferentes. Las diferencias esenciales entre unos y otros se refiere al combustible que utilizan, el moderador y el refrigerante.

Reactor de agua en ebullición:

Combustible Uranio 238 enriquecido con Uranio 235.Moderador El agua naturalRefrigerante El agua natural o ligeraRendimiento 32% media

Funcionamiento

El agua hierve dentro del reactor y el vapor producido se introduce en una turbina de vapor, esta acciona un generador eléctrico. El vapor de salida de la turbina pasa por un condensador, donde vuelve a su estado líquido, se reinyecta después en el reactor nuclear por medio de una bomba centrífuga.

En este tipo de reactores encontramos que las barras de control se accionan desde la parte inferior de la vasija del reactor y no desde la parte superior como ocurre con otro tipo de reactores.

Impacto AltoDimensiones MedianasVentajas Es el más sencillo de concepción y de

realización.

Es autorregulador ya que al aumentar la temperatura provoca una baja de la energía producida.

Producciones altas de energía

Necesita de un área menor que otro tipo de centrales

Menor costo a largo plazo

Ciclo del material combustible

Desventajas

El vapor producido directamente en el reactor es radioactivo.

Se hace difícil la revisión y reparación del circuito de agua.

Se necesita una gran protección biológica

Alto costo inicial

Impacto generado a largo plazo

Los desechos producidos son altamente contaminantes

En caso de accidente las consecuencias pueden ser devastadoras

Estas ventajas y desventajas son de forma generalizada para los diferentes reactores que se nombran a continuación

Centrales como estas la encontramos en Santa María de Garoña en España con 460 MVA.

En USA se encuentra en Illinois con una potencia de 180 MVA

En Suiza en Villigen con una potencia de 20 MVA

Reactor de agua a presión:

Combustible Uranio natural o enriquecidoModerador Grafito puroRefrigerante Anhídrido carbónico o helioRendimiento 28% media

Funcionamiento

El vapor producido por temperaturas mayores de 100C y grandes presiones pasa por un cambiador de calor, luego es enfriado y condensado. Un circuito secundario de agua acciona un generador eléctrico.

Impacto MedioDimensiones Mediana

Ventajas

Se pueden conseguir temperaturas mas elevadas por eso se tiene mejor rendimiento.

Tiene un sistema de autocontrol

Desventajas

Tiene limitada la temperatura de funcionamiento

Limitado funcionamiento técnico.

Como los circuitos de agua son independientes, solamente el cambiador de calor se protege con una barrera biológica, la turbina de vapor queda libre de radioactividad y por lo tanto no es necesaria la protección.

Alrededor del 70 % de los reactores del mundo son de tipo PWR ( pressurized water reactor).

El combustible es el óxido de Uranio enriquecido en su isótopo U 235 entre un 2% y un 3.5 %.

Este tipo de centrales las encontramos en USA en Pennsylvania, Vallegrande en Italia y la de Zorita en España

Reactor refrigerado a gas

Combustible Uranio 238 enriquecido con Uranio 235.Moderador agua natural o grafitoRefrigerante agua a gran presiónRendimiento 30% media alta

Funcionamiento

El vapor producido por temperaturas mayores de 100C y grandes presiones pasa por un cambiador de calor, luego es enfriado y condensado. Un circuito secundario de agua acciona un generador eléctrico.

Impacto MedioDimensiones Grandes

Ventajas

No se da radioactividad en el circuito de agua

No se necesita una protección biológica fuera del reactor.

Fácil recarga de combustible

Ocupan mayor espacio

Debido a la poca radiactividad del anhídrido carbónico o del helio el cambiador de calor puede instalarse sin protección biológica. En estos encontramos tres modalidades

GCR (gas cooled reactor): estos requieren dimensiones mayores que los demás, ya que como el gas no es buen conductor de calor, es necesario que exista una gran superficie de transferencia térmica entre los elementos combustibles y los refrigerantes. El factor de utilización también es alto ya que la disposición de las barras de control y de combustible, permite que la recarga del reactor pueda hacerse de manera continua.

AGR ( variced gas reacto): este es el resultado de la evolución del anterior. Utiliza Uranio, pobremente enriquecido hasta 1.2 %. La vasija de este reactor tiene menores dimensiones, por esto es posible corregir un aumento en la presión del refrigerante que mejora el rendimiento térmico del reactor.

HTGR (high temperature gas reactor): la diferencia con los anteriores es que utiliza habitualmente carburo de Uranio muy enriquecido hasta 93.5 %. Un gas que facilita la obtención de temperaturas muy elevadas sin alcanzar una presión excesiva, lo que hace posible que el rendimiento térmico de reactor sea elevado.

Este tipo de reactores los encontramos en Inglaterra, en Francia, en Italia y en Japón.

Refrigerado por aire

Combustible Uranio enriquecido

Moderador GrafitoRefrigerante Aire previamente filtrado

Funcionamiento

El vapor producido por temperaturas mayores de 100C y grandes presiones pasa por un cambiador de calor, luego es enfriado y condensado. Un circuito secundario de agua acciona un generador eléctrico.

Desventajas

Hay que tener una continua vigilancia de la radioactividad del aire en el sector

Los filtros son costosos

Este tipo de reactor está en Francia, en Marcoule, el vapor luego de pasar por el intercambiador de calor se escapa a la atmósfera por unos filtros donde quedan retenidos los materiales radioactivos

Reactor de agua pesada

Combustible Uranio naturalModerador Agua pesada en atmósfera de HelioRefrigerante Agua pesada

Funcionamiento

El agua pesada se pasa por un cambiador de calor cuyo circuito secundario es atravesado por el agua, que se inyecta en la turbina en forma de vapor

El reactor está formado por un tanque de forma cilíndrica al que se conoce con el nombre de calandria, dotado de una serie de tubos pasantes unidos a la base del tanque. El combustible y el refrigerante se encuentran dentro de esos tubos, mientras que el moderador los baña.

Estos son conocidos con el nombre de Candu y funciona con neutrones lentos.

El moderador es agua pesada es decir, agua en la que se encuentran dos átomos de deuterio que es un isótopo el hidrogeno, por cada uno de oxígeno.

Como ejemplos de centrales nucleares se pueden citar la central canadiense Des Joachims en Ontaro del sur, la central norteamericana de Florida.

Reactor de sodio-grafito

Combustible Uranio enriquecidoModerador Grafito puroRefrigerante Sodio-grafitoPotencia 90MVA-600MVARendimiento 34% alta

Funcionamiento

El vapor producido por temperaturas mayores de 100C y grandes presiones pasa por un cambiador de calor, luego es enfriado y condensado. Un circuito secundario de agua acciona un generador eléctrico.

Impacto BajoDimensiones GrandeVentajas Es el segundo de mejor rendimientoDesventajas Las aguas del reactor son muy radioactivas.

El sodio es muy radioactivo y debe evitarse el contacto con el agua de la turbina de vapor, para ello el sodio se hace pasar por un cambiador de calor intermedio por cuyo interior

Pasa una aleación líquida de sodio y potasio, que actúa como agente transmisor de calor en el cambiador de calor final del calor, cuyo circuito secundario es atravesado por el agua de la turbina.

El sodio y la aleación de potasio no son líquidos fáciles de manejar. Para conseguir una circulación continua se emplean bombas electromagnéticas, cuyo fundamento es parecido al de los motores de inducción: solo que aquí se consigue un movimiento longitudinal del sodio líquido mediante la acción combinada de campos magnéticos intensos y corrientes inducidas.

Se encuentran en Hallam Nebraska USA y otro en lagoona Beach Michigan USA.

Reactor reproductor rápido

Combustible Plutonio 239 y uranio 233 -uranio 235 y plutonio 239

Moderador No tienenRefrigerante Sodio líquidoRendimiento 40% muy alta

Funcionamiento

Estos reactores transforman el material fértil en combustible. El exceso de material combustible es el que se usa para la producción de energía eléctrica. Estos producen más combustible del que consumen.

Impacto AltoDimensiones MedianasVentajas Es el que tiene mejor rendimientoDesventajas Son los más riesgosos de todos

Estos constan de un núcleo combustible de uranio 235 rodeado de varias capas de material fértil que es U 238, en el material fértil se va produciendo plutonio 239, que posteriormente se empleará en el núcleo para producir aún más plutonio.

Otras veces el material fértil es el torio 232 y entonces se produce como material combustible el U 233 que posteriormente sustituirá en el núcleo al U 235.

Estos son rápidos es decir que carecen de moderador, los neutrones se utilizan para fisiones posteriores, a la velocidad que llevan como consecuencia de producirse la primera

Fisión. Por este motivo se necesitan para este tipo de reactores materiales muy ricos en material fisible, ya que por la elevada velocidad de los neutrones las probabilidades de nuevas fisiones al chocar con otros núcleos son escasas y deben compensares con una gran masa de material fisible.

Como material refrigerante se utiliza, generalmente, el sodio líquido, de la misma manera que en los reactores de sodio- grafito.

Además hasta que o haya producido material combustible en suficiente cantidad (primero U235 y, posteriormente Plutonio 239), no podrán construirse reactores reproductores de gran potencia.

Se pueden encontrar, el NRTS en Idaho USA, el Dounreay en Escosia y el Oulianouvsk en la antigua unión soviética.

 

Características de una central nuclear de agua a presión (PWR)

El combustible que utilizan las centrales nucleares PWR es dióxido de uranio enriquecido y el proceso comienza introduciéndolo en forma de pastillas en unos tubos.

Los elementos de combustible se refrigeran mediante un circuito de agua (llamado circuito primario) que, a su vez, sirve como moderador.

El agua aumenta la temperatura y se mantiene en estado líquido a causa de la elevada presión del sistema.

El refrigerante circula por los generadores de vapor, cediendo el calor a otro circuito de agua diferente y totalmente independiente (circuito secundario) que se transforma en vapor, haciendo girar los álabes de la turbina, que está acoplada a un generador eléctrico.

El vapor, una vez ha pasado por la turbina, se condensa y vuelve al generador de vapor.

Todo este circuito está situado en el interior de un edifico de contención, constituido de hormigón armado con un espesor de entre 50 y 100 cm y con un cubrimiento interior de acero que hace que sea hermético. Este edificio de contención se mantiene por debajo de la presión atmosférica para evitar, en caso de accidente, que los posibles escapes salgan al exterior.

Características de una central nuclear de agua en ebullición (BWR)

Las centrales BWR se diferencian de las anteriores principalmente en que no tienen circuito de agua secundario.

Además, el circuito primario trabaja a una presión inferior y el vapor se produce en el reactor desde donde se envía directamente a la turbina para mover el generador.

Tanto las centrales PWR como las BWR disponen de un edificio de combustible que sirve para almacenar los elementos de combustible nuevos y para guardar el combustible ya utilizado hasta que se pueda trasladar a un centro de almacenaje final de combustible gastado.

El edificio de combustible y el de contención están conectados entre sí para poder trasladar los elementos

combustibles sin salir de la zona controlada de la central y que se encuentra totalmente aislada del resto de instalaciones de la central.

Además, las centrales nucleares disponen de edificios auxiliares en los que están situados los equipos y sistemas de seguridad.

 

Impacto ambiental de las centrales nucleares

Cabe 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.

Bibliografía

http://www.inza.com/ainoa/nuclear2.swf

http://html.rincondelvago.com/centrales-nucleares_1.html

http://www.tecnun.es/asignaturas/Ecologia/Hipertexto/07Energ/130EnNuclear.htm

http://www.endesaeduca.com/Endesa_educa/recursos-interactivos/produccion-de-electricidad/x.-las-centrales-nucleares

http://www.unesa.es/sector-electrico/funcionamiento-de-las-centrales-electricas/1349-central-nuclear

http://energia-nuclear.net/que_es_la_energia_nuclear.html