ENERGÍA NUCLEAR

Hasta finales del siglo XIX, los científicos creían que la energía de una partícula dependía de su velocidad (energía cinética). Fue Einstein quien afirmó que las partículas atómicas tenían energía, independientemente de su velocidad.

Se llama energía nuclear a aquella que se desprende de los núcleos de ciertos átomos cuando entre ellos se produce una determinada reacción.

Einstein descubrió que la masa se podía transformar en energía, según la fórmula que ya vimos el mes anterior.

Se observa que una pequeña cantidad de masa proporciona una gran cantidad de energía. Ello se debe a que en las reacciones nucleares el aprovechamiento energético se hace de manera distinta a como se realiza en una combustión ordinaria.

En la práctica no es posible transformar toda la masa en energía. Normalmente se parte de uno o dos átomos de uno o dos elementos para transformarlo en otro elemento distinto. En el cambio se observa una ligera variación de las masas iniciales y finales, pero en ningún caso los átomos iniciales desaparecen completamente.

En la actualidad se está trabajando con dos tipos de reacciones nucleares:

·    Reacción nuclear de fisión: Se emplea fundamentalmente para obtener electricidad y como medio de propulsión en submarinos. Con este método se obtiene alrededor del 20 % de la energía eléctrica mundial. En la actualidad existen unas 425 centrales nucleares funcionando en más de 25 países.

·      Reacción nuclear de fusión: Está en fase experimental. Todavía no se ha conseguido energía comercial alguna. Se le augura un gran futuro.

 

1.- REACCIONES NUCLEARES DE FISIÓN

Consiste en romper un núcleo de un átomo de uranio enriquecido al 3% (²³⁵U) o de plutonio (²³⁹Pu). Éstos son los dos únicos isótopos fisionables (cuando se rompen emiten gran cantidad de energía) y además inestables (están emitiendo partículas, lo que hace que se conviertan en otro átomo distinto).

El proceso se inicia lanzando un neutrón a gran velocidad sobre el átomo que se desea fisionar (romper). Al chocar el neutrón contra el núcleo, lo rompe en dos fragmentos (dos nuevos átomos), liberando tres neutrones y gran cantidad de calor. Una reacción nuclear típica es la que se muestra en la Figura 1. 

Figura 1. Fisión nuclear

Cada uno de los tres neutrones emitidos puede provocar nuevas fisiones en otros núcleos, continuándose el proceso. En la segunda reacción nuclear tendríamos tres átomos, rompiéndose simultáneamente, que emitirían cada uno otros tres neutrones, por lo que en la tercera reacción ya habría nueve. Así, en la reacción número n se estarían rompiendo 3^n-1 átomos. Como se observa, en cada instante hay muchísimos más núcleos que se rompen, por lo que se está liberando mayor cantidad de calor.

A este fenómeno de fisión, escisión o rotura de núcleos se le denomina reacción en cadena. Si no se controla este número de escisiones, el calor liberado es tan grande que se origina una bomba atómica.

Todas las centrales nucleares españolas consumen alrededor de 120 t de uranio enriquecido al año, que se produce en Saelices el Chico (Salamanca).

 

2.- COMPONENTES DE UNA CENTRAL NUCLEAR DE FISIÓN
Los elementos más importantes de cualquier central nuclear son el reactor nuclear, la turbina, el condensador, el edificio de almacenamiento y manipulación y el circuito de refrigeración.

·      Reactor nuclear: En él se origina la reacción nuclear de fisión. Consta de :

§  Tubos de acero inoxidable: En los que se introduce el combustible (formado por pastillas de uranio enriquecido).

§  Barras de control: Que regula la cantidad de escisiones en la unidad de tiempo y, por tanto, la potencia del reactor. Si las barras están totalmente levantadas, se producirá una reacción en cadena (con peligro de explosión), porque no hay nada que detenga a los neutrones que se generan. Cuando las barras don totalmente introducidas en el núcleo, la reacción en cadena se detiene. Las barras son de carburo de boro, porque absorben muy bien los neutrones.

§  Moderador: Cuya finalidad es la de reducir la velocidad de los neutrones. Se ha comprobado que los neutrones con velocidades lentas (alrededor de 2,2 km/s) tienen más probabilidades de impactar con un núcleo que los que se desprenden a grandes velocidades (20000 km/s). Para ello se emplea agua pesada, berilio o grafito.

Atendiendo al moderador utilizado, los reactores nucleares se pueden clasificar en lentos y rápidos:

v Reactores lentos: Son aquellos que disponen de moderador. Se trata de reactores más controlables, ya que al poder ajustar la velocidad de los neutrones se sabe con antelación cuando se va a producir la escisión del núcleo de un átomo.

v Reactores rápidos: Los que no disponen de moderador.

·      Turbina: A la turbina llega vapor a alta presión. El giro de la turbina mueve un alternador que genera corriente eléctrica.

·      Condensador: Para que la turbina funcione correctamente es necesario licuar el vapor que sale de ella. Para ello, se utiliza un intercambiador de calor o condensador. El intercambiador es un depósito lleno de agua por el que pasa una tubería que transporta el líquido o el gas que se quiere enfriar. La tubería cederá el calor al agua del depósito. Luego es necesario sacar el calor del depósito, para lo que se introduce otra tubería, que entra con agua fría y sale con agua caliente.

·      Edificio de almacenamiento y manipulación: Se utiliza como depósito de combustible. Este combustible es almacenado en piscinas de hormigón, recubiertas con una plancha de acero y llenas de agua. En este lugar también se almacena el combustible ya utilizado hasta que es trasladado a un centro de reprocesamiento o a un depósito de almacenamiento definitivo.

·      Circuito de refrigeración/generador de vapor: El núcleo del reactor está rodeado por un líquido refrigerante cuya misión es la de evacuar el calor. Los refrigerantes más utilizados son deuterio, protio o helio.

En la actualidad se emplean mayoritariamente dos tipos de reactores nucleares: PWR (presurized wáter reactor) y BWR (boling wáter reactor). Las centrales BWR son más inseguras, ya que un escape del fluido puede provocar una contaminación radiactiva.

En la tabla siguiente se comparan estos dos tipos de reactores nucleares:

Tabla 1. Centrales nucleares PWR y BWR

 

3.- REACCIÓN NUCLEAR DE FUSIÓN

La fusión nuclear consiste en la unión de dos núcleos de átomos ligeros para formar un núcleo nuevo más pesado y el desprendimiento de gran cantidad de energía.

Los átomos de un gas están siempre en movimiento desordenado, chocando unos contra otros. A medida que se calientan, aumenta su velocidad. Si la velocidad se eleva en varios miles de kilómetros por segundo (aplicándoles calor hasta que su temperatura llegue a millones de grados), pueden vencer la mutua repulsión de sus núcleos y así fundirse al chocar, generando un átomo nuevo. Este proceso libera gran cantidad de energía en forma de calor.

Actualmente, las reacciones termonucleares que dejan en libertad mayor cantidad de energía son las que tienen lugar entre núcleos de hidrógeno, concretamente entre los isótopos de deuterio y tritio para formar helio. Además, existe la ventaja de que el deuterio y el tritio se pueden obtener del hidrógeno y éste del agua dulce o agua de mar, con lo que resultaría una fuente inagotable de energía.

En 1991 se consiguió obtener 1,7 millones de vatios hora utilizando este sistema, pero, de momento, este tipo de energía todavía se encuentra en estado de experimentación. El único problema es que, de momento, la energía consumida es mayor que la producida. Son varios los problemas que se presentan:

·      Calentar el gas a temperaturas tan elevadas: Se ha estimado que, para obtener una cantidad de energía que supere la necesaria para iniciar la reacción, se necesita una temperatura de unos 1000000000 ºC. Para que este sistema fuera susceptible de utilización comercial, tal vez se necesitarían 300000000 ºC y que se mantuviese durante varios segundos. Se cree que la fusión es la fuente de energía de las estrellas, como el Sol, por ejemplo.

·      Disponer de un recipiente que pueda soportar esas altísimas temperaturas el tiempo suficiente para que se produzca la fusión y se libere la energía: A temperaturas incluso de 100000 ºC todos los átomos están ionizados (han perdido sus electrones). Por lo tanto, el gas está formado por los átomos con carga positiva y sus electrones libres cargados negativamente. Este estado se denomina plasma. Si el plasma se coloca en un recipiente normal, se enfría rápidamente y las paredes del recipiente se volatilizan de forma instantánea. Como el plasma está formado por cargas eléctricas (núcleos positivos) y electrones, se pueden colocar levitando dentro de potentísimos campos magnéticos, evitando así contacto alguno con las paredes.

·      Extraer la energía liberada y transformarla en electricidad.

·      Métodos para contener el plasma: En la actualidad se está ensayando con dos sistemas:

·      Mediante confinamiento inercial: Consiste en emplear un rayo láser finísimo para comprimir partículas de deuterio, durante un tiempo que no va más allá de algunas trillonésimas de segundo. Con ello se consigue que las partículas alcancen una densidad de 10000 veces la del agua y se generen pequeñísimas explosiones termonucleares semejantes a la bomba H.

·      Mediante confinamiento magnético (Tokamak): Dispone de enorme electroimanes que producen campos magnéticos del orden de 50000 gauss, que hacen que el plasma “flote”. Simultáneamente, se hace pasar una corriente enorme (de varios millones de amperios) a través del plasma, para incrementar su temperatura.

4.- ENERGÍA NUCLEAR Y MEDIO AMBIENTE

Se presentan dos problemas en cuanto a la contaminación de la energía nuclear:

·      Impacto medioambiental: Si una central de fisión funciona con normalidad, las emisiones radiactivas no superan las producidas de manera natural. Sin embargo, puede haber accidentes debidos a:

§  Escapes de agua radiactiva del circuito primario (como ha ocurrido en un submarino británico hace algunos años).

§  Explosiones del reactor, motivadas por exceso de temperatura, al fundirse las paredes que lo recubren (es el caso de la central de Chernóbil, de Ucrania).

                Si se producen escapes radiactivos hacia el exterior, pueden tener efectos terribles sobre los
                seres vivos, El efecto dependerá del nivel de radiactividad y del tiempo de exposición.

      En centrales de fusión, las posibilidades de que ocurra un accidente son ínfimas, ya que la
      masa que se emplea es muy pequeña. Las radiaciones emitidas son mucho menores que en
      el caso de la fisión, y los efectos también.

 

·      Tratamiento de residuos: Los residuos de las centrales nucleares son aquellos materiales que contienen o están contaminados con radioisótopos (emiten partículas radiactivas). Se pueden clasificar en los siguientes tipos:

§  De baja actividad: ropas, guantes, herramienta, etcétera.

§  De media actividad: filtros de gases y líquidos usados.

§  De alta actividad: los combustibles gastados (²³⁸U).

Los residuos de baja y de media actividad se mezclan con hormigón y se introducen en bidones que se almacenan en la propia central y luego se llevan a almacenes definitivos, como el depósito de El Cabril (Córdoba).

Los residuos de alta actividad se almacenan provisionalmente en la central, dentro de piscinas de hormigón con agua. Luego pueden reprocesarse para obtener ²³⁹U, para combustible o armas nucleares, o encapsularse (se mezclan con vidrio fundido) y depositarse en minas profundas, geológicamente estables.