ENERGIA NUCLEAR
YIBELIS YARLETH RIVEIRA ARIZA
UNIVERSIDAD DE LA GUAJIRA EXTENSION FONSECA
FACULTAD DE INGENIERIAS
PROGRAMA AMBIENTAL
RECURSOS ENERGETICOS
2020
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Energia nuclear o centrales nucleares, Apuntes de Física Nuclear
características de la energía nuclear
Tipo: Apuntes
2019/2020
1 / 56
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ENERGIA NUCLEAR
YIBELIS YARLETH RIVEIRA ARIZA
UNIVERSIDAD DE LA GUAJIRA EXTENSION FONSECA
FACULTAD DE INGENIERIAS
PROGRAMA AMBIENTAL
RECURSOS ENERGETICOS
ENERGIA NUCLEAR
YIBELIS YARLETH RIVEIRA ARIZA
DOCENTE
ING. SERGIO LUIS ISEDA SUAREZ
UNIVERSIDAD DE LA GUAJIRA EXTENSION FONSECA
FACULTAD DE INGENIERIAS
PROGRAMA AMBIENTAL
RECURSOS ENERGETICOS
- INTRODUCCION.………………………………………………………………………..
- 1.0 OBJETIVOS……..…………………………………………………………………… - 1.1 OBJETIVOS GENERALES - 1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
- 2.0 ENERGIA NUCLEAR………………………………………………………………. - 2.1 FISION NUCLEAR - 2.1.2 EJEMPLOS DE FISIÓN NUCLEAR - 2.1.3 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA FISIÓN NUCLEAR
- 2.2 FUSIÓN NUCLEAR - 2.2.1 CARACTERISTICAS DE LA FUSIÓN NUCLEAR - 2.2.2 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA FUSIÓN NUCLEAR
- 3.0 DIFERENCIA EXISTE ENTRE FISIÓN Y FUSIÓN NUCLEA………………..
- 4.0 COMBUSTIBLE NUCLEAR……………………………………………………… - 4.1 URANIO............................................................................................................. - 4.1.1 CARACTERISTICAS DEL URANIO - 4.1.2 URANIO ENRIQUECIDO Y EMPOBRECIDO - 4.2 PLUTONIO......................................................................................................... - 4.2.1 ISOTOPOS DEL PLUTONIO - 4.3 TRITIO
- 5.0 APLICACIONES DE LA ENERGIA NUCLEAR………………………………..
- 5.1 GENERACION DE ELECTRICIDAD
- 5.2 APLICACIONES MILITARES, ARMAS NUCLEARES
- 6.0 TIPOS DE INSTALACIONES NUCLEARES……………………………………
- 7.0 CENTRAL NUCLEAR……………………………………………………………..
- 8.0 FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL NUCLEAR………………………... - 8.1 REACTOR NUCLEAR - 8.1.1 CLASIFICACIÓN DE LOS REACTORES NUCLEARES - 8.1.2 COMPONENTES DEL REACTOR NUCLEAR - 8.1.3 TIPOS DE REACTORES - 8.2 VENTAJAS DE LA ENERGIA NUCLEAR…………………………………..
- 8.3 DESVENTAJAS DE LA ENERGIA NUCLEAR……………………………….
- 9.0 ESCALA INES - ESCALA INTERNACIONAL DE SUCESOS NUCLEARES.
- 10.0 PAISES DEL MUNDO CON CENTRALES ELECTRICAS……………….…
- 11.0 CENTRALES NUCLEARES EN EL MUNDO………………………………….
- 12.0 ENERGIA NUCLEAR EN COLOMBIA………………………………………...
- CONCLUSIÓN………………………………………………………………………….
- BIBLIOGRAFIA..……………………………………………………………………....
INTRODUCCION
En los últimos años el planeta está sufriendo bastantes cambios, muchos de ellos bastante graves, entre ellos el cambio climático, este problema causado por los humanos, está afectando la vida, de animales, plantas, ecosistemas, y poniendo en grave riesgo la biodiversidad. Como causante de este fenómeno el hombre debe responsabilizarse y buscar soluciones a estos problemas, dando lugar a alternativas más sustentables para realización de diversas actividades. Como es sabido el efecto de los gases invernadero, principalmente el CO2 como residuo de los combustibles fósiles utilizados para las actividades humanas, es uno de los principales contribuyentes al cambio climático. Debido a este problema se ha planteado la utilización de formas de energía más limpias y sustentables, una de ellas es la energía nuclear, que, a pesar de ser considerada una fuente alternativa, está en debate debido a sus condiciones negativas que se le dan debido a su uso como arma de destrucción masiva tras las bombas de Hiroshima y Nagasaki, y su relación con enfermedades como el cáncer. El tema nuclear es bastante polémico, debido a que es considerado como un potente destructor, el problema que genera debate en el uso de la energía nuclear, radica en torno a su alta inseguridad con respecto al medio ambiente por la radiación y los desechos radiactivos de alta actividad, así como los posibles daños a la salud relacionados a partir del accidente de la planta de Chernobil, otro punto de debate es la necesidad del uso de Uranio para su producción. El uranio es un elemento natural que se extrae de la tierra, lo que posiciona a la energía nuclear como una alternativa dependiente y no sustentable, pues el uranio no es un recurso ilimitado como el sol o el viento, lo que plantea un límite a su utilización. En este ensayo expondré diferentes posturas frente al uso de la energía nuclear, ventajas y desventajas. Además expondré el caso de diferentes países que utilizan o plantean utilizar energía nuclear para satisfacer su demanda energética. También analizare posibles daños al ambiente, manejo de desechos y posibles daños a la salud. Por ultimo concluiré a partir de datos que tan viable puede llegar a ser este tópico.
2.0 ENERGIA NUCLEAR
La energía nuclear o energía atómica es la energía que se libera espontánea o artificialmente en las reacciones nucleares. Sin embargo, este término engloba otro significado, el aprovechamiento de dicha energía para otros fines, tales como la obtención de energía eléctrica, térmica y mecánica a partir de reacciones atómicas, y su aplicación, bien sea con fines pacíficos o bélicos. Así, es común referirse a la energía nuclear no solo como el resultado de una reacción sino como un concepto más amplio que incluye los conocimientos y técnicas que permiten la utilización de esta energía por parte del ser humano. Estas reacciones se dan en los núcleos de algunos isótopos de ciertos elementos químicos, siendo la más conocida la fisión del uranio-235 ( 235U), con la que funcionan los reactores nucleares, y la más habitual en la naturaleza, en el interior de las estrellas, la fusión del par deuterio-tritio ( 2H-3H). Sin embargo, para producir este tipo de energía aprovechando reacciones nucleares pueden ser utilizados muchos otros isótopos de varios elementos químicos, como el torio-232, el plutonio-239, el estroncio-90 o el polonio-210 ( 232Th, 239Pu, 90Sr, 210Po; respectivamente). Existen varias disciplinas y técnicas que usan de base la energía nuclear y van desde la generación de electricidad en las centrales nucleares hasta las técnicas de análisis de datación arqueológica (arqueometría nuclear), la medicina nuclear usada en los hospitales, etc Los dos sistemas más investigados y trabajados para la obtención de energía aprovechable a partir de la energía nuclear de forma masiva son la fisión nuclear y la fusión nuclear. La energía nuclear puede transformarse de forma descontrolada, dando lugar al armamento nuclear; o controlada en reactores nucleares en los que se produce energía eléctrica, energía mecánica o energía térmica. Tanto los materiales usados como el diseño de las instalaciones son completamente diferentes en cada caso.
2.1 FISION NUCLEAR
La fisión nuclear es la reacción en la que el núcleo de un átomo pesado, al capturar un neutrón incidente, se divide en dos o más núcleos de átomos más ligeros, llamados productos de fisión, emitiendo en el proceso neutrones, rayos gamma y grandes cantidades de energía. El núcleo que captura el neutrón incidente se vuelve inestable y, como consecuencia, se produce su escisión en fragmentos más ligeros dando lugar a una situación de mayor estabilidad. Además de estos productos, en la reacción de fisión se producen varios neutrones que al incidir sobre otros núcleos fisionables desencadenan más reacciones de fisión que a su vez generan más neutrones. Este efecto multiplicador se conoce como reacción en cadena. Para que se produzca una reacción de fisión en cadena es necesario que se cumplan ciertas condiciones de geometría del material fisionable y se supere un umbral determinado de cantidad del mismo, conocido como masa crítica. La fisión puede llegar a producirse de forma espontánea, pero es necesaria la existencia de un neutrón que incida con la energía adecuada. 2.1.1 CARACTERISTICAS DE LA FISIÓN NUCLEAR Puede decirse que la principal característica de la fisión en el núcleo es que se trata de un proceso natural (al contrario de lo que sucede con la fusión, que es un proceso artificial) Otra de sus características es que para su obtención bastará con reunir una cantidad suficiente de uranio y se dará sola (siendo controlada tal reacción por las centrales nucleares) La fisión nuclear es un proceso que se reveló en 1938, conociendo de este modo la capacidad de un neutrón para dividir en dos el núcleo de un átomo. En ese momento se trató de un fascinante descubrimiento que valió a las fuerzas militares alemanas para el desarrollo de un
2.1.3 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA FISIÓN NUCLEAR
Entre las principales ventajas de la fusión en el núcleo se encuentran: Genera una gran cantidad de electricidad Lo primero que nos viene a la mente pensando en la parte positiva de este tema es que se obtiene una gran cantidad de energía eléctrica, por lo que más personas pueden acceder a ella, algo muy importante hoy en día y, sobre todo, en lugares donde el clima es muy frío. Además, una central nuclear está generando electricidad casi todo el año, aproximadamente un 90% de este. Esto hace que los precios no sean tan cambiantes, algo que sí sucede en el caso de los combustibles fósiles, ya que dependen de la disponibilidad y están mucho más cerca de agotarse. No se producen gases de efecto invernadero Durante la obtención de la energía atómica, desde las centrales nucleares, no se producen gases de efecto invernadero, como el CO2 o el N2O. El humo blanquecino que sale de las chimeneas de las centrales nucleares no es humo con gases, sino que en realidad se trata de vapor de agua, ya que se usa agua durante el proceso de fisión de los núcleos y esta se evapora. Por tanto, las chimeneas no contaminan el aire. Se reduce la dependencia del petróleo El hecho de producir más cantidad de electricidad y otras energías, como la térmica, con energía atómica hace que se reduzca el uso de combustibles fósiles para obtener electricidad. Algo que actualmente es muy conveniente porque se están consumiendo más combustibles fósiles de los que se producen, por tanto, nos estamos quedando sin reservas. Daña menos al medio ambiente La producción de este tipo de energía provoca un daño menor al medio ambiente, ya que se evita la emisión de gases de efecto invernadero, así como el uso de combustibles fósiles. Evidentemente, los daños no son nulos, pero en este sentido se
consideran menores. Esto, obviamente, siempre y cuando no se produzca un accidente nuclear. Esta visión es la que defienden los que están a favor del uso de este tipo de energía, pero todo tiene inconvenientes, como veremos a continuación, los cuales son usados en las explicaciones de quienes están en contra de su uso. No obstante, hay que ver que todos estos argumentos mencionados, positivos y negativos, son reales. Aquí puedes aprender más sobre Cómo afecta la energía nuclear al medio ambiente. Entre las principales desventajas de la fusión en el núcleo se encuentran: No se ahorra tanto en combustibles fósiles Aunque es un argumento muy comentado como ventaja, la realidad es que la gran cantidad de combustible fósiles y de producción de gases de efecto invernadero se usa para los transportes, no de la producción de electricidad. Por tanto, no se ahorra tanto en este sentido y los materiales necesarios para la energía atómica, mayormente, se transportan hasta las plantas usando combustibles fósiles. Se producen desechos radiactivos Como hemos comentado antes, parte de los residuos del resultado de la fisión nuclear producen radiación, mucha más que el propio uranio. Es el caso del plutonio, que se almacena en piscinas dentro de las plantas nucleares o en contenedores, en principio altamente seguros, para ser enterrados a gran profundidad en distintas zonas del planeta para evitar que contaminen el entorno. A estos lugares se les conoce como cementerios nucleares. Realmente son desechos de muy difícil eliminación y peligrosos y, además, pueden darse vertidos tóxicos o escapes que contaminen de forma grave el medio ambiente. Algunos resultados de tal desastre con estos residuos peligrosos son la pérdida de biodiversidad y la malformación del cuerpo de seres vivos en crecimiento y en fetos, además de problemas de salud graves como el cáncer.
2.2 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, generalmente liberando partículas en el proceso. Estas reacciones pueden absorber o liberar energía, según si la masa de los núcleos es mayor o menor que la del hierro, respectivamente. Un ejemplo de reacciones de fusión son las que tienen lugar en el sol, en las que se produce la fusión de núcleos de hidrógeno para formar helio, liberando en el proceso una gran cantidad de energía en forma de radiación electromagnética, que alcanza la superficie terrestre y que percibimos como luz y calor. Para que tenga lugar una reacción de fusión, es necesario alcanzar altas cotas de energía que permitan que los núcleos se aproximen a distancias muy cortas en las que la fuerza de atracción nuclear supere las fuerzas de repulsión electrostática. Para ello, se deben cumplir los siguientes requisitos:
- Para lograr la energía necesaria se pueden utilizar aceleradores de partículas o recurrir al calentamiento a temperaturas muy elevadas. Esta última solución se denomina fusión térmica y consiste en calentar los átomos hasta lograr una masa gaseosa denominada plasma, compuesta por electrones libres y átomos altamente ionizados.
- Asimismo, es necesario garantizar el confinamiento y control del plasma a altas temperaturas en la cavidad de un reactor de fusión el tiempo necesario para que se produzca la reacción.
- También es necesario lograr una densidad del plasma suficiente para que los núcleos estén cerca unos de otros y puedan dar lugar a las reacciones de fusión. Sin embargo, los confinamientos convencionales, como las paredes de una vasija, no son factibles debido a las altas temperaturas. Por este motivo, se encuentran en desarrollo dos métodos de confinamiento:
- Fusión por Confinamiento Inercial (FCI): Consiste en crear un medio tan denso que las partículas no tengan casi ninguna posibilidad de escapar sin chocar entre sí. Para ello se impacta una pequeña esfera compuesta por deuterio y tritio por un haz de
láser provocando su implosión. Así, se hace cientos de veces más densa que en su estado sólido normal permitiendo que se produzca la reacción de fusión. Actualmente hay reactores de investigación con el objetivo de producir energía a través de este proceso.
- Fusión por Confinamiento Magnético (FCM): Las partículas eléctricamente cargadas del plasma son atrapadas en un espacio reducido por la acción de un campo magnético. El dispositivo más desarrollado tiene forma toroidal y se denomina Tokamak. 2.2.1 CARACTERISTICAS DE LA FUSIÓN NUCLEAR Las principales características de la fusión nuclear son: Pueden emitir o absorber la energía. Cuando los núcleos que se fusionan tienen una masa menor que el hierro liberan energía. Se produce naturalmente en las estrellas. Se conoce como reacciones termonucleares por las altas temperaturas que experimentan. Es considerada como un importante recurso energético a gran escala. Los elementos más utilizados para generar reacciones de fusión nuclear son el hidrógeno, deuterio y tritio 2.2.2 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA FUSIÓN NUCLEAR Entre las principales ventajas de la fusión en el núcleo se encuentran:
El uso que se le puede dar en la industria militar es muy alarmante 3.0 DIFERENCIA EXISTE ENTRE FISIÓN Y FUSIÓN NUCLEAR Mientras que el proceso de fisión del núcleo es bastante conocido y se puede controlar sin excesivos problemas, la fusión plantea un gran problema que no es el otro que el de su confinamiento, que propicia que se siga investigando, si bien ya se están produciendo cuantiosos avances gracias al ITER. La reacción de fusión genera en tono a 4 veces más energía que la fisión La reacción de fusión no resulta tan contaminante como la de fisión, al eliminar el peligro de los residuos radiactivos En la reacción de fisión es transformada en energía en torno a un 1% de la materia, mientras que en la de fusión es transformada en torno a un 5% de la materia en energía. Esto se traduce en que, igual que ocurre con la masa de combustible, la fusión va a producir una cantidad de energía mucho mayor En el proceso de fisión se requiere como materia prima el uranio enriquecido, de difícil producción, mientras que en la fusión se requiere el deuterio, extraído de la conocida como agua pesada y que representa el 0.015% de la totalidad del agua que existe en el planeta. Así, dada la cantidad de agua existente en el mismo, es un recurso abundante, pese a que pueda parecer un porcentaje insignificante En el proceso de fusión también se requiere tritio, un elemento escaso en la naturaleza, pero que se puede obtener a partir de la desintegración del litio, un metal abundante En relación a los residuos, conviene apuntar que la desintegración del uranio produce residuos radiactivos que se han de almacenar durante siglos hasta que su actividad se vea reducida. En cuanto al residuo producido en la fusión es el helio, un gas inocuo y con un valor económico importante.
4.0 COMBUSTIBLE NUCLEAR
El combustible nuclear es el material utilizado para la generación de energía nuclear. Se trata de un material susceptible de ser fisionado o fusionado según si su uso es la fisión nuclear o la fusión nuclear. Nos referimos al combustible nuclear tanto al material (uranio, plutonio...) como al conjunto elaborado con dicho material nuclear (barras de combustible, composiciones de material nuclear y el moderador o cualquier otra combinación. El combustible nuclear más conocido es el uranio debido a que es el más utilizado en los reactores nucleares de fisión. Actualmente todos los reactores nucleares en producción para la generación de energía eléctrica son de fisión. A otro nivel, también se utiliza el plutonio como combustible nuclear. El tritio y el deuterio son isótopos ligeros que se utilizan en el proceso de fusión nuclear. La fusión nuclear, por el momento, no está lo suficientemente desarrollada para poderla aplicar en centrales nucleares, aunque en Francia se está construyendo un reactor nuclear de fusión (proyecto ITER) para su estudio. 4.1 URANIO El uranio es el combustible nuclear más utilizado en las reacciones de fisión nuclear. Se trata de un elemento natural que se puede encontrar en la naturaleza. De todos modos, para poder utilizar el uranio en un reactor nuclear debe experimentar un cierto tratamiento. 4.1.1 CARACTERISTICAS DEL URANIO El núcleo de un átomo de uranio contiene 92 protones. En estas condiciones la fuerza repulsiva entre los protones está a punto de vencer la fuerza nuclear.
4.2 PLUTONIO
El plutonio es un elemento químico, generalmente de origen artificial, que se utiliza como combustible nuclear en la fabricación de armas nucleares. 4.2.1 ISOTOPOS DEL PLUTONIO El isótopo con mayor interés químico es el plutonio-239. Se forma en los reactores nucleares. Es un isótopo fisionable, pero puede capturar también neutrones para formar isótopos superiores. En el campo de la energía nuclear, el plutionio-239 se emplea como combustible nuclear en la producción de isótopos radiactivos para la investigación y como agente fisionable en armas nucleares. El plutonio-238 se utiliza en fuentes de calor para aplicaciones espaciales, generadores de calor termoeléctricos y se ha empleado en marcapasos cardiacos. Una característica importante de muchos de los isótopos del plutonio es que presentan el fenómeno de la fisión espontánea, en el cual se puede dividir el núcleo atómico de forma espontánea sin necesidad de ser bombardeado por ningún neutrón. 4.3 TRITIO El tritio es un isótoporadiactivo del hidrógeno cuyo núcleo consiste en un protón y dos neutrones. La aplicación más importante del tritio es su utilización como combustible nuclear para la obtención de energía mediante la fusión. El tritio es un combustible importante para la fusión nuclear controlada en los diseños de reactores nucleares de fusión por confinamiento magnético y por inercia. El reactor de fusión experimental ITER y la Instalación Nacional de Encendido (NIF) utilizarán combustible de deuterio-tritio. La reacción de deuterio-tritio es favorable ya que tiene la sección transversal de fusión más grande y alcanza esta sección transversal máxima con la energía más baja de cualquier combustible de fusión potencial.
5.0 APLICACIONES DE LA ENERGIA NUCLEAR
El principal uso de la energía nuclear es la producción de energía eléctrica. Las centrales nucleares son las encargadas de generar energía eléctrica. En los reactores nucleares de las plantas nucleoeléctricas se generan reacciones de fisión nuclear. Con estas reacciones se obtiene energía térmica que se transformará en energía mecánica y posteriormente en energía eléctrica. Sin embargo, existen muchas otras aplicaciones en las que se usa la tecnología nuclear de una forma directa o indirecta. Trabajando con diferentes isótopos de un mismo elemento, se puede utilizar la tecnología nuclear para otras aplicaciones en diversos campos. 5.1 GENERACION DE ELECTRICIDAD El uso más importante y conocido de la energía nuclear es la generación de electricidad. Después de la Segunda Guerra Mundial, el principal uso que se le dio a la energía nuclear fue la generación de energía eléctrica. Las centrales nucleares son las instalaciones encargadas de la conversión de la energía nuclear contenido en los átomos de uranio en electricidad. El proceso para obtener esta conversión es el resultado de un proceso termodinámico y mecánico. En un primer momento, el reactor nuclear genera reacciones de fisión nuclear que emiten una gran cantidad de energía térmica. Con toda esta energía calorífica se obtiene vapor a alta presión. El vapor, gracias a su elevada presión, acciona las turbinas de vapor de la central. De este modo, se obtiene energía mecánica, energía de rotación de un eje. Finalmente, el generador eléctrico convertirá la energía cinética del eje en energía eléctrica.