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Tecnología Industrial I. Tema 3: La Energía Nuclear e impacto medioambiental de las energías no renovables. Desarrollo del tema : 1. La energía nuclear. 1.1 La radiactividad natural y al transmutación de la materia. 1.2 La radiactividad artificial. Energía nuclear. 2. Reacciones nucleares de interés energético. 2.1 Reacciones de fusión y fisión nuclear. 3. Centrales nucleares. 3.1 El reactor nuclear. 3.2 Partes de una central nuclear. 4. Aspectos medioambientales de la utilización de la energía nuclear. 5. La fusión nuclear. El futuro energético. 6. Impacto medioambiental de la utilización de las fuentes de energía no renovables. 1

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Tecnología Industrial I. Tema 3: La Energía Nuclear e impacto medioambiental de las energías norenovables.

Desarrollo del tema :

1. La energía nuclear.

1.1 La radiactividad natural y al transmutación de la materia.1.2 La radiactividad artificial. Energía nuclear.

2. Reacciones nucleares de interés energético.

2.1 Reacciones de fusión y fisión nuclear.

3. Centrales nucleares.

3.1 El reactor nuclear.3.2 Partes de una central nuclear.

4. Aspectos medioambientales de la utilización de la energía nuclear.

5. La fusión nuclear. El futuro energético.

6. Impacto medioambiental de la utilización de las fuentes de energía no renovables.

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1. La energía nuclear.

Existen dos maneras de obtener energía a partir de los núcleos de los átomos, comoconsecuencia de la transformación de la materia en energía. Una de ellas es gracias a las reaccionesde fisión nuclear, mediante las cuales, un núcleo pesado, se desintegra , dando lugar a dos máspequeños, eliminando gran cantidad de energía y radiactividad. Otra de las formas es mediante elfenómeno de fusión nuclear, mediante la cual, dos núcleos ligeros, se fusionan para dar lugar a unnúcleo más pesado, con la liberación de cierta cantidad de energía. En el primer caso, la tecnologíase ha desarrollado de una forma considerable; en el segundo caso, la tecnología aún no se hadesarrollado lo suficiente.

1.1 La radiactividad natural y al transmutación de la materia.

La radiactividad natural se descubrió por casualidad, como otros eventos de la ciencia. HenriA Becquerel, en el año 1896, descubrió al azar como una serie de núcleos pesados eran capaces deemitir espontáneamente, una serie de radiaciones, capaces de atravesar cuerpos opacos, impresionarplacas fotográficas , producir descargas en cuerpos ionizados, etc. La casualidad hizo que en uncajón del escritorio de Becquerel, se guardara, herméticamente cerrado, un mineral de Uranio(Plechbenda), al lado de unas placas de fotografía sin rebelar. Madame Curie, siguió estainvestigación y pudo separar una gran cantidad de elementos pesados radiactivos, como el Radio,Polonio, etc. La radiaciones pueden ser de tres tipos:

Radiaciones α o núcleos de Helio. Son poco penetrantes, siendo absorbidas por una simplehoja de papel. Es difícil que penetre en el cuerpo humano.Radiación β o electrones dotados de alta velocidad. Es más penetrante que en el casoanterior. Se requiere una lámina metálica de algunos mm. de espesor.Radiación γ . Esta radiación no tiene naturaleza material, sino electromagnética de muyalta frecuencia. Es capaz de recorrer centenares de metros en el aire. Para detenerla senecesita una lámina gruesa de plomo o de hormigón

En los fenómenos de la radiactividad natural, los núcleos de una serie de átomos , setransmutan o transforman en otros átomos diferentes de una forma natural, emitiendo en el procesodistinto tipo de radiaciones. En el año 1919, Ernest Rutherford, consiguió bombardear núcleos deNitrógeno con partículas α , dando lugar a núcleo de oxígeno y protones. La reacción nuclear es lasiguiente:

147 N + 4

2He 178O + 1

1H

En la reacción nuclear, la suma de los números másicos de los reactivos, ha de serigual a la suma de los números másicos de los productos. La suma de los números atómicos de losreactivos, ha de ser igual a la suma de los números atómicos de los productos.

1.2 La radiactividad artificial. Energía nuclear.

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En el año 1934, la hija de Madame Curie, bombardearon aluminio con partículas α yobtuvieron inicialmente un isótopo de fósforo, inestable que se desintegra espontáneamente para darlugar a un núcleo de Silicio, eliminando unas nuevas partículas: los electrones positivos opositrones.

2713 Al + 4

2 He 3015 P* + 1

0 n

3015 P* 30

14 Si + 01 e+

Este fenómeno recibe el nombre de radiactividad artificial. En estos procesos además de losdiferentes tipos de radiaciones( α ,β ,γ ) se emiten también protones, neutrones o positrones.

En todas estas reacciones nucleares, la masa de los núcleos reactivos, es mayor que la masade los núcleos productos, por consiguiente existe una pérdida de masa. Este defecto de masa setransforma en energía por la ecuación de Einstein:

Δ E = Δ m . c2

siendo c = 3 . 108 (m/s) , es decir, la velocidad de la luz.

Esta energía que resulta de los procesos de reacción nuclear, es la energía nuclear, que anivel subatómico, las unidades de masa serán los umas(u), siendo una u = 1,6605 10-27 Kg.. Laenergía se mide en MeV ( Mega electrón volt.) . 1 MeV = 1,602 10 -13 J. Según esto, ladesintegración de un uma (1 u) produce 931,2 MeV de energía: 1 u = 931,2 MeV.

2. Reacciones nucleares de interés energético: Reacciones de fisión y fusión nuclear.

Las dos reacciones más importantes desde el punto de vista energético son las de fisión y lasde fusión.

En el año 1938, Otto Hahn, bombardeó núcleos de Uranio, con neutrones lentos ( de bajaenergía cinética). La idea inicial era obtener elementos de número atómico superior al Uranio, sinembrago lo que sucedió fue que el Uranio se rompió en dos núcleos más pequeños, concretamenteel isótopo 235 . En este proceso se liberaba una gran cantidad de energía y se obtenían nuevosneutrones (tres) para proseguir en una reacción en cadena divergente A este proceso recibió elnombre de fisión nuclear, liberando por termino medio 200 MeV.

La energía liberada en los procesos de fisión nuclear pueden usarse para:

Fines militares.- Si el proceso de desintegración ocurre de forma incontrolada , avelocidades explosivas: bomba nuclear.Fines pacíficos.- Como fuente de energía en los dispositivos conocidos como reactoresnucleares , que se utilizan en las centrales nucleares.

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En el siguiente esquema se visualiza la reacción de fisión del Uranio 235:

Esta reacción tiene lugar en cadena, ya que se desprenden tres neutrones en el proceso:

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Núcleo deUranio 235

neutrones

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Las reacciones de fusión nuclear, se llaman también termonucleares, a causa de la elevadatemperatura que se encuentran los núcleos ( en estado de plasma). Este tipo de reacciones tienelugar cuando varios núcleos ligeros se funden para dar lugar a otro más pesado, acompañado de unaliberación de energía.

La reacción nuclear es la siguiente :

21 H + 3

1 H 42 He + energía.

La energía liberada es del orden de los 26 MeV . La realización práctica nos dice que es muycomplicado hacer colisionar dos partículas cargadas. Para ello es necesario someter a los núcleos atemperaturas elevadas, del orden de 109 º C.

Las elevadas temperaturas se consiguen mediante el confinamiento magnético

3. Centrales nucleares.

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Las centrales nucleares son aquellas instalaciones que permite transformar la energía nuclearen energía eléctrica.

En una central nuclear las distintas transformaciones energéticas se verifican en lassiguientes etapas:

En el interior del reactor: la energía nuclear se transforma en energía térmica.En las turbinas, la energía térmica se trasforma en energía mecánica: energía cinéticas derotación.En el generador o alternador, la energía mecánica se trasforma en energía eléctrica.

En una central PWR, el reactor nuclear es refrigerado por agua a presión. El calor desprendido porel reactor, refrigera el agua a presión que circula por tuberías en el interior del reactor, este fluido,caliente, calienta un segundo fluido motor , haciendo que el agua del segundo circuito pase delestado líquido al estado de vapor. Este vapor es dirigido hacia los álabes de una turbina de vapor,haciendo que ésta gire rápidamente y produzca en el secundario del alternador, corriente alternatrifásica de varios miles de voltios.

La sala de control realiza el seguimiento del proceso.

La parte más importante de una central nuclear es el reactor.

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En el reactor nuclear, tiene lugar las reacciones en cadena. Los neutrones desprendidos,poseen una energía elevada (neutrones rápidos) , por lo que es necesario frenarlos mediante unmoderador ( agua pesada, normal, grafito o Berilio), disminuyendo su energía (neutrones térmicos) .Los neutrones producidos pueden escaparse del material sin producir reacción, pueden serabsorbidos por núcleos Uranio 238, por impurezas o por núcleos Uranio 235, fisionándose y dandolugar a nuevos neutrones.

Para que una reacción nuclear tenga lugar es necesario que exista na mínima masa dematerial fisionable, que se conoce como masa crítica .

Para que la reacción en cadena se mantenga , será necesario que los neutrones producidosha de ser mayor que los absorbidos. Existe una relación entre estos neutrones, que recibe el nombrede factor de multiplicación, k .

k = neutrones producidos

neutronesabsorbidosneutrones perdidos

Cuando k = 1 la reacción en cadena es crítica o estacionaria.Cuando k > 1 será supercrítica, llegando a la explosión.Cuando k < 1 será subdrítica, decreciendo la actividad con el tiempo.

Existen sustancias absorbentes de neutrones como son el Boro y el Cadmio.

Un reactor nuclear posee un núcleo central que mantiene el material combustible y los

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elementos para controlar la reacción: material moderador y las barras de control. El combustible poseen formas muy variadas recubierto de una vaina metálica que lo aísla

del exterior. Para iniciar la fisión se dispone de una fuente de neutrones. La energía desprendida escaptada por el primer refrigerante, que suele ser agua ordinaria, pesada, gas o metal fundido.

Para evitar fugas radiactivas del reactor, éste se rodea de un blindaje de hormigón de variosmetros de espesor. Suele tener forma cilíndrica con una cúpula semiesférica.

Los reactores más utilizados son :Los reactores de producción de potencia, son los que existen en las centrales nucleares. Deestos se distinguen, según sea el refrigerante, los GCR (reactor de gas enfriado), LWR( como refrigerante y moderador agua ligera), pueden ser PWR o BWR, reactores de altatemperatura o reactores rápidos.Reactores de investigación. Los utilizados para producir radioisótopos. Permiten estudiar lautilización de nuevos reactores.Reactores reproductores.- Transforman material fértil en fisionable.

4. Aspectos medioambientales de la utilización de la energía nuclear.

Las ventajas e inconvenientes de la utilización de la energía nuclear son de carácter técnicoy profesional.

Desde el punto de vista de ventajas figura las enormes posibilidades energéticas del proceso,que se complementan con el resto de las energías. Por otra parte, las buenas condiciones defuncionamiento y no precisan el oxígeno atmosférico.

En cuanto las desventajas son los pequeños rendimientos de las centrales nucleares, loselevados costos y las grandes medidas de seguridad.

Desde el punto de vista medioambiental, los accidentes en centrales nucleares, ocurieron enlos Álamos, en 1945, en marzo de 1979 en Harrisburg (Pensilvania) y, más recientemente, enChernóbil, en Ucrania, han concienciado a la opinión pública para que se posicione en contra de laenergía nuclear.Japón .- Central de Fukushima (Sunami- 2010)

Estos riesgos ha supuesto un aumento en la seguridad de las centrales nuclares.

Otros de los problemas que conlleva la utilización de la energía nuclear es la de los residuosradiactivos. La mayor parte de los residuos proviene de las centrales nucleares, aunque también losoriginan los centros de investigación. Los residuos pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos. Losmateriales gaseosos, una vez tratados para eliminar la radiactividad, se eliminan a la atmósfera.

Las sustancias de media radiactividad, se almacenan en cilindros de plomo y hormigón y sealmacenan. Los residuos de alta radiactividad , primero se almacenan en la propia central yposteriormente se envían a una fábrica para el reprocesamiento, aprovechándose el materialcombustible no consumido.

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En el siguiente gráfico se aprecia el tiempo de vida media de algunos núcleos radiactivos.

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5. La fusión nuclear. El futuro energético.

Los reactores de fusión nuclear, que generan energía por fusión de núcleos y no por fisión,será en un futuro próximo, la gran solución a las necesidades energéticas de la humanidad, ya quegeneraría una potencia equivalente de 1 GW, gastando una mínima cantidad de combustible.

Las primeras investigaciones sobre la fusión nuclear, se realizaron en la década de lossesenta en la antigua URSS. Estos investigadores consiguieron un confinamiento lento en camposmagnéticos toroidales, en los llamados Tokamaks. Todos estos procesos se basan en elalmacenamiento del plasma (núcleos de átomos desprovistos de los electrones corticales) por laacción de potentes campos magnéticos, comprimiéndolo para conseguir un aumento elevado detemperatura y conseguir la densidad necesaria para conseguir la fusión nuclear.

Además del procedimiento de Tokamaks, existe una nueva vía de investigación en el métodode confinamiento inercial, en el que el láser desempeña un gran papel. El láser que se necesitadesarrollar es el de alta potencia.

Los esteladores funcionan como los Tokamaks , utilizándose imanes de formas complicadas,que facilite el confinamiento del plasma ultracaliente.

La energía nuclear de fusión presentan dos grandes ventajas en comparación con la energíade fisión:

Utiliza como materias primas los isótopos del hidrógeno, aunque escasos, abundan en lanaturaleza.Es una energía limpia, que en principio no genera residuos radiactivos.

Como inconvenientes presenta la utilización del Tritio ( 31H) y la producción de neutrones

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energéticos, pudiendo ser un foco de contaminación medioambiental.Actualmente la investigación de la energía de fusión se encuentran en algunos países en

estado avanzado.

En España, en la actualidad, existen ocho centrales nucleares de fisión ( Sta. Maria deGaroña, Almaraz I y II, Ascó I y II, Cofrantes, Vandellós y Trillo) producen una potencia total de7638 MW.

6. Impacto medioambiental de la utilización de las fuentes de energíano renovables.

La utilización de las fuentes de energía no renovables, supone una alteración del medioambiente, contribuyendo en su deterioro.

Entre las alteraciones que conviene destacar son las siguientes:Efecto invernadero. Los gases invernadero, formados por el metano, dióxido de carbono, losgases nitrosos y los CFC. De todos ellos el CO2 se produce mayoritariamente por lacombustión completa de los combustibles fósiles. Los procesos de sustitución han

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contribuido a la disminución de la eliminación del dióxido de carbono. Los gasesinvernadero atrapan moderadamente el calor del sol, dejando pasar la radiación infrarroja, yesta radiación, una vez atrapada por la corteza terrestre , la radiación se refleja y en lugar deser reenviada al espacio, es atrapada por los gases, aumentando la temperatura media de latierra, distorsionando el clima. La capa de ozono. La capa de ozono ( O3) se encuentra a una altura entre 20 y 50 Km dealtitud. En esta zona se produce concentraciones de 10 ppm; la disminución de la capa deozono provoca la llegada a la superficie de la tierra radiaciones energéticas muy peligrosaspara los seres vivos.La lluvia ácida. Cuando se eliminan a la atmósfera óxidos de nitrógeno y de azufre queacompañan a los combustibles fósiles, se combinan con el vapor de agua y se forman losácidos sulfúrico y nítrico que se depositado en la corteza terrestre juntamente con el agua delluvia. Estos ácidos son abrasivos de las plantas, altera el placton y la fauna de los ríos. Asímismo afecta a la estructura de hormigón y provoca el ennegrecimiento y deterioro de losedificios. Sobre los sers humanos supone una aumento de las afecciones respiratorias( asma, bronquitis, etc.).

Otras formas de contaminación indirecta, será la producción de maras negras comoconsecuencia de los accidentes de los petroleros o el agua de refrigeración de las centrales térmicas,que supone un aumento de temperatura del agua de los ríos, alterando gravemente el ecosistema.

Ejercicios.

1. Si en una reacción nuclear hay una pérdida de 3 10-9 g, calcular :a. Los Kw.h que se producen.b. Si la velocidad de fisión es de 105 reacciones por minuto, ¿cuál sería la potenciaproducida?

2. Ajustar la siguiente reacción nuclear:

y2 He + 19

9 F 22x N e + 1

1 H

3.Al bombardear el Boro (10) con partículas α , se forma Carbono (13) y protones. Expresarla reacción nuclear y hallar la energía , en MeV, que se libera en el proceso si el defecto demasa atómica es de 1.0858 10-26 g.

4. Si una central eléctrica produce 500 MW, cuanto podrá funcionar con la energía nuclearde una bomba de 30 Mt ( 1 Mt = 4,18 1015 J ).

5.¿Cuántas toneladas de carbón, de poder calorífico 8000 Kcal/Kg., se precisan quemar paraobtener la misma energía que al producirse una pérdida de masa de 0,5 Kg?.

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Varillas de combustible : L = 4mMaterial .- Zircaloy ( aleación Zr-Sn) 3-5 % en 235U y 97-95 % en 238U

Barras de control .- Acero inoxidable ( aleación interna de In-Ag-Cd) Absorben neutrones

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