El funcionamiento de las centrales nucleares con más detalle. Está, en primer lugar, el combustible, un isótopo fisionable, divisible, o fértil, que puede convertirse en fisionable por activación neutrónica: uranio 235, uranio 238, plutonio 239, torio 232 o mezclas de estos elementos, como el MOX, una mezcla de óxidos de uranio y plutonio (uno de […]
El funcionamiento de las centrales nucleares con más detalle.
Está, en primer lugar, el combustible, un isótopo fisionable, divisible, o fértil, que puede convertirse en fisionable por activación neutrónica: uranio 235, uranio 238, plutonio 239, torio 232 o mezclas de estos elementos, como el MOX, una mezcla de óxidos de uranio y plutonio (uno de los rectores de Fukushima funcionaba con MOX). El combustible habitual en las centrales refrigeradas por agua ligera es el dióxido de uranio «enriquecido».
Tendríamos en segundo lugar un moderador -agua, agua pesada, helio, grafito, sodio metálico- que cumple con la función de frenar la velocidad de los neutrones producidos por la fisión, para que de este modo tengan la oportunidad de interactuar con otros átomos fisionables y mantener la reacción. Tenemos, además, el refrigerante: agua, agua pesada, anhídrido carbónico, helio. Su función es conducir el calor generado hasta un intercambiador de calor, o bien directamente a la turbina generadora de electricidad o propulsión. Luego, un reflector, que suele ser agua, agua pesada, grafito o uranio, que reduce el escape de neutrones y aumenta la eficiencia del reactor.
Tendríamos luego el blindaje del reactor -de hormigón, plomo, acero y agua- que evita la fuga de radiación gamma y neutrones rápidos, y el material de control: cadmio o boro, que puede hacer que la reacción en cadena se pare puesto que son muy buenos absorbentes de neutrones. Generalmente se usan en forma de barras, de acero, por ejemplo, o bien disuelto en el refrigerante.
Se tendría finalmente los elementos de seguridad. Todas las centrales nucleares de fisión constan en la actualidad de múltiples sistemas, activos, los que responden a señales eléctricas, o pasivos, los que actúan de forma natural, por gravedad por ejemplo. La contención de hormigón es la principal de ellas. Todos estos sistemas tratan de evitar que se produzcan accidentes, o que, en caso de producirse, no se origine una gran liberación de radiactividad al exterior del reactor.
En síntesis: en una central nuclear se pueden distinguir tres partes principales: el núcleo del reactor, los circuitos de refrigeración y el turboalternador. En el núcleo del reactor tiene su origen la energía producida en la central y en él se encuentran los elementos combustibles compuestos por un conjunto de tubos metálicos o varillas donde se apilan las pastillas de uranio enriquecido. La regulación del calor producido en la fisión nuclear se realiza mediante unos elementos de control, los moderadores, donde se insertan las barras del combustible de uranio que sirven para controlar la cantidad de neutrones emitidos en el proceso de fisión. La forma más utilizada para modificar la cantidad de neutrones emitida es el sistema de las «barras de control», constituidas por materiales absorbentes de neutrones, principalmente compuestos de boro y cadmio, que se sitúan entre las barras de combustible. Al ser introducidas en el núcleo del reactor disminuye la velocidad de reacción mientras que aumenta al sacarlas.
Las instalaciones nucleares son construcciones industriales muy complejas por la variedad de tecnologías industriales empleadas y por la necesidad de seguridad elevada que comportan. Las características de la reacción nuclear hacen que puedan resultar muy peligrosas si se pierde su control y prolifera por encima de una determinada temperatura a la que funden los materiales empleados en el reactor, así como si se producen escapes de radiación nociva por esa u otra causa. La energía nuclear se caracteriza por producir inevitablemente, además de energía eléctrica, residuos nucleares altamente radiactivos que hay que albergar en depósitos aislados y controlados durante largo tiempo. A cambio, dirían sus partidarios, en afirmación enormemente discutible, no produce la contaminación atmosférica de gases derivados de la combustión ni precisan el empleo de combustibles fósiles convencionales. Empero, las emisiones contaminantes indirectas derivadas de su propia construcción, de la fabricación del combustible y de la «gestión» posterior de los residuos radiactivos, es decir, todos los procesos de tratamiento de los residuos, incluido su almacenamiento, no son en absoluto despreciables.
En cuanto a su potencia, la potencia de un reactor de fisión puede variar desde unos pocos kW térmicos a unos 4.500 MW térmicos (unos 1.500 MW «eléctricos»).
Se instalan en zonas cercanas al agua, como cualquier central térmica, para refrigerar el circuito, y se emplazan, o deberían emplazarse, en zonas sísmicamente estables para evitar accidentes graves. Japón desmiente radicalmente esta consideración.
La energía nuclear es, pues, la energía que resulta del aprovechamiento de la capacidad que tienen algunos isótopos de determinados elementos químicos para experimentar reacciones nucleares y emitir energía en la transformación. Una reacción nuclear consiste en la modificación de la composición del núcleo atómico de un elemento, que muta y pasa a ser otro elemento como consecuencia del proceso. Este proceso se da espontáneamente en algunos elementos y en otras ocasiones puede provocarse mediante técnicas como el bombardeo neutrónico u otras.
Existen dos formas de aprovechar esta energía nuclear para convertirla en calor: la fisión nuclear, en la que un núcleo atómico se subdivide en dos o más grupos de elementos, y la fusión nuclear, en la que al menos dos núcleos atómicos se unen para dar lugar a otro diferente. En física, la fisión es un proceso nuclear, lo que simplemente significa que sucede en el núcleo del átomo, y ocurre cuando un núcleo atómico se parte en dos o más núcleos pequeños, más algunos subproductos. Estos subproductos incluyen neutrones libres, partículas alfa y beta, y la emisión asociada de fotones, rayos gamma generalmente, lo que supone cantidades substanciales de energía. Se puede inducir por varios métodos, incluyendo el bombardeo del núcleo de un átomo fisionable con otra partícula de energía correcta. Esta partícula es generalmente un neutrón libre, que es absorbido por el núcleo haciéndole inestable: puede pensarse, para trazar un símil, en una pirámide de cartas que puede llega a ser inestable si seguimos avanzando en su construcción o lanzamos hacia ella algún objeto.
El núcleo inestable del átomo se dividirá finalmente en dos o más partes. Los productos de la fisión incluyen dos núcleos más pequeños, neutrones libres -con una media de 2,5 por reacción- y algunos fotones. Este proceso genera mucha más energía que la que se libera, por ejemplo, en las reacciones químicas. La energía resultante se emite en forma de radiación del fotón, como rayos gamma, y en forma de energía cinética -dependiente pues de la velocidad- de los núcleos y de los neutrones resultantes.
Los núcleos atómicos que surgen como productos de la fisión pueden ser elementos químicos diversos. Los elementos concretos que se producen es algo azaroso, pero estadísticamente el resultado más probable es encontrar núcleos con la mitad de protones y neutrones de los que tiene el átomo fisionado original.
Los productos de la fisión son generalmente muy radiactivos, no son isótopos estables. Estos isótopos se transforman mediante cadenas de desintegración.
Aunque la fisión se inicia normalmente de la forma más fácil posible, por la absorción de un neutrón libre, puede también ser inducida lanzando otros elementos al núcleo fisionable que pueden incluir protones, otros núcleos o aún fotones de gran energía en cantidades muy altas. Muy raramente un núcleo fisionable experimentará la fisión nuclear espontánea sin un neutrón entrante.
Inducir la fisión es más fácil en los elementos pesados. Cuanto más pesado sea el elemento, mucho mejor. La fisión en cualquier elemento más pesado que el hierro produce energía; por el contrario, la fisión en cualquier elemento que sea más liviano que el hierro requiere energía. Lo contrario es verdad en las reacciones de fusión nuclear: la fusión de los elementos más livianos que el hierro produce energía y la fusión de los elementos más pesados requiere energía.
Los elementos más frecuentemente usados para producir la fisión nuclear, como dijimos, son el uranio y el plutonio. El uranio es el elemento natural más pesado; el plutonio experimenta desintegraciones espontáneas y tiene un período limitado. Así, pues, aunque otros elementos podrían ser utilizados, uranio y plutonio presentan la mejor combinación de abundancia y facilidad de cara a la fisión.
Llamamos masa crítica a la mínima cantidad de material requerida para que el material experimente una reacción en cadena. La masa crítica de un elemento fisionable depende de su densidad y de su forma: barra larga, cubo, esfera. Puesto que los neutrones de la fisión se emiten en varias direcciones al azar, para maximizar las ocasiones de una reacción en cadena, los neutrones deberán viajar tan lejos y por tanto material como sea posible, para maximizar las posibilidades de que cada neutrón choque con otro núcleo. Por ello, una esfera es la mejor forma y la peor, probablemente, sea una hoja aplanada, puesto que la mayoría de los neutrones volarían de la superficie de la hoja y no chocarían con otros núcleos.
También es importante la densidad del material. Si el material es gaseoso, es poco probable que los neutrones choquen con otro núcleo porque hay demasiado espacio vacío entre sus átomos, por lo que un neutrón «viajaría» probablemente entre ellos sin golpear nada. Si el material se pone bajo alta presión, los átomos estarán mucho más juntos y las ocasiones de una reacción en cadena son mucho más altas. La alta compresión puede ser alcanzada poniendo el material en el centro de una implosión, o lanzando un pedazo de ella contra otro pedazo, muy fuertemente, con una carga explosiva por ejemplo. Es el caso de la bomba atómica clásica.
El empleo de la energía de fusión está en fase experimental, existiendo dudas sobre su viabilidad técnica y económica. Es otra de las energías nucleares posibles, siendo estudiada la viabilidad de su aplicación en centrales de producción eléctrica como el ITER (International Thermal Reactor) o el NIF (National Ignition Facility). Sus partidarios dicen que este tipo de energía atómica promete ser la opción más eficiente y limpia de las conocidas por el hombre para generar electricidad. Sin embargo, hay que admitir que aún falta tiempo, bastante tiempo, para que este tipo de energía pueda ser utilizada.
El principio en el que se basa la fusión nuclear es juntar suficientemente núcleos de deuterio -hidrógeno con un neutrón, estable y componente del agua pesada- y tritio -hidrógeno con dos neutrones, radiactivo con emisión beta- mediante presión o calor hasta lograr un estado llamado plasma. En dicho estado, los átomos se disgregan y los núcleos de hidrógeno pueden chocar y fusionarse obteniendo helio. La diferencia energética entre dos núcleos de deuterio y uno de helio se emite en forma de energía que servirá para mantener el estado de plasma y para la obtención de energía. La principal dificultad consiste en confinar una masa de materia en estado de plasma ya que no hay recipiente capaz de aguantar las altas temperaturas generadas de millones de grados. Para ello se recurrirá al confinamiento magnético, pudiéndose usar también el inercial.
El proyecto ITER, participado por Japón y la Unión Europea, pretende construir una central experimental de fusión y comprobar su viabilidad económica. El NIF pretende lo mismo en Estados Unidos usando el confinamiento inercial y estando en una fase mucho más avanzada que ITER. Conviene no olvidar que desde hace 50 años se han invertido por parte de los EEUU, la extinta Unión Soviética y la Unión Europea, sumas ingentes en el estudio de la energía de fusión aplicable a la generación de energía sin resultados tangibles hasta el momento. En los años 60 se preconizaba o «vendía» que en 20 años sería aplicable, y en la actualidad ¾caso ITER y NIF¾ se sigue postulando un plazo similar. Así como de la bomba atómica nacieron en poco tiempo aplicaciones civiles ¾»átomos para la paz»¾, de la bomba de hidrógeno, origen de la energía de fusión, está costando grandes esfuerzos, sin ninguna perspectiva clara de éxito por ahora, lograr aplicaciones comerciales.
Actualmente existen dos líneas básicas: el confinamiento inercial y el magnético. El primero consiste en contener la fusión mediante el empuje de partículas o de rayos láser proyectados contra una partícula de combustible, que provocan su ignición instantánea. El confinamiento magnético mantiene el material a fusionar en un campo magnético mientras se le hace alcanzar la temperatura y presión necesarias.
Existen actualmente varios tipos de reactores nucleares de fisión. Los principales:
LWR: Light Water Reactors (Reactores de Agua Ligera). Utilizan como refrigerante y moderador el agua y como combustible uranio enriquecido. Los más utilizados son los BWR (Boiling Water Reactor ó Reactores de Agua en Ebullición) y los PWR (Pressure Water Reactor ó Reactores de Agua a Presión). Antes hablábamos de ellos. Estos últimos son considerados en la actualidad el tipo estándar. Existían 345 en funcionamiento en el mundo en 2001.
CANDU: Canada Deuterium Uranium (Canadá Deuterio Uranio). Utilizan como moderador y refrigerante agua pesada, compuesta por dos átomos de deuterio y uno de oxígeno, y como combustible usan uranio natural. Existían 34 centrales de este tipo en funcionamiento, también en 2001.
FBR: Fast Breeder Reactors (Reactores Rápidos Realimentados). Usan neutrones rápidos en lugar de térmicos para la consecución de la fisión. Como combustible utiliza plutonio y como refrigerante sodio líquido. No necesita moderador. Existían cuatro centrales FBR en funcionamiento en 2001.
HTGR: High Temperature Gas-cooled Reactor (Reactor de Alta Temperatura Refrigerado por Gas). Usa una mezcla de torio y uranio como combustible. Como refrigerante utiliza helio y como moderador grafito. Eran 34 las que estaba en funcionamiento en el mundo en 2001.
RBMK -Reactor Bolshoy Moshchnosty Kanalny (Reactor de Canales de Alta Potencia)- cuya principal función es la producción de plutonio, generando electricidad como subproducto. Utiliza grafito como moderador y agua como refrigerante, y usa uranio enriquecido como combustible. Pueden recargarse en marcha. El reactor de Chernóbil era de este tipo. Existían 14 reactores RBMK en funcionamiento en 2001.
El ADS -Accelerator Driven System (Sistema Asistido por Acelerador)- utiliza una masa subcrítica de torio, en la que se produce la fisión solo por la introducción, mediante aceleradores de partículas, de neutrones en el reactor. Se encuentran en fase de experimentación y una de las funciones fundamentales buscadas sería la eliminación de los residuos nucleares producidos en otros reactores de fisión.
Nota:
[*] Tomado de ERF y SLA, Casi todo lo que usted desea saber sobre los efectos de la energía nuclear en la salud y en el medio ambiente, El Viejo Topo, Barcelona, 2008.
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