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ESCUELA SUPERIOR POLTÉCNICA DE CHIMBORAZO
FACULTAD DE CIENCIAS
CARRERA DE QUÍMICA
I. DATOS GENERALES.
TEMA: ENERGÍA NUCLEAR.
II. OBJETIVOS.
II.1. General. Adquirir conocimientos sobre la energía nuclear, su formación y aplicaciones, mediante la investigación exhaustiva del tema. II.2. Específicos.
- Aprender sobre los conceptos de energía nuclear.
- Conocer el funcionamiento de una central nuclear y cuáles son los factores que se estudian y se llevan a cabo en las instalaciones.
- Obtener información basada en artículos y revistas.
- Conocer acerca de lo que es una central nuclear y su funcionamiento. III. INTRODUCIÓN. Las plantas o centrales nucleares, son construcciones dirigidas con el único objetivo de producir energía a través del uso de los núcleos que se encuentran en los átomos. Para la obtención de la energía se puede partir de dos mecanismos muy aplicados en las centrales ya sea por fisión en el cual se separa o divide los núcleos de los átomos para obtener la energía requerida, y el otro mecanismo es a través de la fusión nuclear, que consiste en la unión de átomos. Todos estos procesos son llevados a cabo en espacios llamados reactores, en donde se experimentará todo lo referente a la obtención de energía. Pero, al producir energía, se libera una gran cantidad de partículas, las cuales son muy tóxicas
para el ambiente, lo cual conlleva a tener medidas biológicas para evitar la salida de los mismos. Para la gestión de desechos producidos en los reactores, las centrales nucleares ubicadas en todos los países que lo tienen, han optado llevar la gestión de los residuos, dados por los gobiernos de los mismo. Estos consisten en llevar a cabo gestiones de residuos nucleares según el tipo de elemento liberado y el estado en el que se manifiesta, así que para los residuos nucleares sólidos, líquidos y gaseosos, se tiene diferentes tratamientos. Todos los procesos llevados a cabo en las centrales nucleares, son regulados correctamente para que no afecte a la población en donde se encuentra ubicada la planta nuclear, así también evitar la contaminación ambiental, que es la principal afectada por todos los residuos producidos en los mismos. Es por esto que los funcionamientos de las centrales nucleares son demasiadamente regulados para evitar todo daño, y realizar procedimientos para la obtención de energía, que es la razón por la cuales muchos trabajadores y científicos están trabajando, para obtener energía más sustentable para la población. IV. METODO. La función principal de esta investigación es la de recopilar información y bibliografía sobre la energía nuclear. El método utilizado para la siguiente investigación está basado en la adquisición de información, de artículos científicos, libros, monografías y papers que contengan información verificada acerca del tema a investigar. V. DESARROLLO. ENERGÍA NUCLEAR
- Radiación (gamma): Son fotones usualmente de muy alta energía, emitidos por núcleos inestables u otros procesos. El núcleo no cambia su identidad, sino que únicamente pierde energía.
- Radiación neutrónica: Es la emisión de neutrones en procesos nucleares.
- Rayos X: Son fotones de alta energía que se producen cuando los electrones atómicos cambian de órbita o cuando inciden electrones sobre un material y son frenados Radiación no ionizante Las radiaciones no ionizantes, son aquellas que no poseen la suficiente energía para ionizar. La gama de radiaciones no ionizantes es muy amplia, siendo las de mayor importancia la radiación ultravioleta (UV), los rayos láser, infrarrojos, visibles) y campos electromagnéticos (Stewart, 2009). 3. Elementos e isótopos: formación y transformación. “Un elemento químico está caracterizado por el número de protones que tiene. Pero un mismo elemento químico puede tener distinto número de neutrones, estas especies se llaman isótopos” (Horvath, n.d.). Las moléculas que componen las sustancias están compuestas por átomos. La mayor parte de las moléculas tienen átomos normales, pero algunas, menos frecuentes, tienen átomos pesados (2012). Cada elemento químico se caracteriza por el número de protones de su núcleo, que se denomina número atómico (Z). Así, el hidrógeno ( 1 H) tiene un protón, el carbono ( 6 C) tiene 6 protones y el oxígeno ( 8 O) tiene 8 protones en el núcleo. El número de neutrones del núcleo puede variar. Casi siempre hay tantos o más neutrones que protones. La masa atómica (A) se obtiene sumando el número de protones y de neutrones de un núcleo determinado. Por lo tanto:
- Si a un átomo se le añade un protón, se convierte en un nuevo elemento químico.
- Si a un átomo se le añade un neutrón, se convierte en un isotopo de ese elemento
químico. Los átomos que componen a la materia poseen un número fijo de protones y electrones para cada elemento; sin embargo, un mismo elemento puede tener diferente número de neutrones. Entonces, un isótopo es cada uno de los diferentes átomos de un mismo elemento con un número de neutrones diferente; por ejemplo (^11) H y (^12) H , (^23892) U^ , (^23592) U^ y (^23492) U (donde el subíndice indica el número atómico = protones y el superíndice la masa atómica = suma de protones y neutrones). Los isótopos de un elemento se comportan de manera idéntica desde un punto de vista químico, pero la diferencia en sus masas conduce a distintos comportamientos durante procesos físicos. Los elementos no sólo tienen varios isótopos, sino que algunos de estos isótopos pueden ser inestables (isótopo padre o radioactivo) y convertirse a otros elementos (isótopo hijo o radiogénico) mediante diferentes mecanismos de decaimiento radioactivo (α, β- , β+ , captura de electrones y fisión espontánea). Los isótopos estables no radiogénicos, es decir, que no se originaron a partir del decaimiento radioactivo de otro elemento, al igual que los radiogénicos, proporcionan datos relevantes acerca del origen y procesos de materiales corticales. La abundancia natural de los isótopos estables en la Tierra no ha cambiado desde su origen; sin embargo, existen procesos denominados de fraccionamiento provocados por cambios físicos y químicos que ocurren en la naturaleza (evaporación, condensación, fusión, cristalización, difusión, etc.). El grado de fraccionamiento es proporcional a la diferencia de las masas de los isótopos de un mismo elemento que interviene en alguno de estos procesos. Entre los isótopos estables más estudiados en geociencias están el H, C, N, O, y S, por su gran abundancia en la atmósfera, agua y minerales formadores de roca y a su participación en procesos geológicos en el interior y sobre la superficie de la Tierra. Sus principales aplicaciones se encuentran en la caracterización isotópica de agua de lluvia, oceánica,
neutrones. Lo que daría como resultado producir una reacción nuclear de cadena, debido a que al existir más neutrones, se producirán más fisiones.
- Fusión nuclear : Esto consiste en la unión de dos átomos ligeros, como por ejemplo podemos utilizar el hidrógeno acompañado de sus isótopos como lo es el Deuterio y el Tritio, estos se unen para formar un núcleo más pesado. Un ejemplo de reacción de fusión se puede apreciar en el sol, en donde el mecanismo que acciona allí es la de fusiones de núcleos de hidrógeno, para formar helio, que a su vez en el proceso de fusión se libera gran cantidad de energía en forma de radiación electromagnética que alcanza a la tierra y que lo podemos mencionar como luz o calor ( Grijalba, 1942, p.192 ). Pero la reacción de fusión, no es tan sencilla como lo parece, pues para que este proceso ocurra se necesita lograr alcanzar grandes cantidades de energía, para que los núcleos que están demasiados lejos de se aproximen a distancias cortas en las cuales la atracción nuclear supere a la repulsión electroestática. La repulsión electrostática, no es nada más que el cumplimiento a la ley de cargas, en las que nos mencionan que, si se presentan dos cargas iguales, estas tienden a repelar, mientras que si se presentan cargas opuestas, estas se atraen. Para asegurarnos de producir una reacción de fusión nuclear, debemos tener en cuenta los siguientes aspectos:
- Para lograr la energía necesaria, se pueda hacer el uso de aceleradores de partículas o también se puede recurrir al calentamiento a temperaturas elevadas.
- Si aplicamos el método de elevar la temperatura, obtendremos plasma, por lo que es necesario que se aplique confinamiento y control del mismo en la cavidad de un reactor.
- Es recomendable realizar una densidad de plasma suficiente para que los núcleos de otros átomos se mantengan cerca uno del otro para producir la reacción de fusión (CONSEJO DE SEGURIDAD NUCLEAR, 2015). 6. Gestión de los desechos radioactivos nucleares. En las centrales nucleares se produce todo tipo de material contaminante, producto de los desechos de fusión ocasionados en un reactor principalmente. Pero, a comparación de la cantidad de desechos producidos en otras plantas productoras de electricidad que son a base de carbón, los desechos de las plantas nucleares son de volúmenes menores. Los desechos producidos en una central nuclear dependen de diversos factores, como puede ser el tipo de reactor, características específicas del reactor, condiciones de funcionamiento y la integridad del combustible. Los principales desechos que se producen un una central nuclear son componentes que son retirados o aislados al explotar un reactor, y estos pueden ser al cambiar el combustible o en el proceso de mantenimiento ya pueden ser sólidos activados como el acero inoxidable, cobalto 60 y níquel 63, o ya pueden ser desechos líquidos, resinas, intercambiadores de iones y filtros radioactivos. Para el manejo y gestión de desechos, se debe clasificar en:
- Desechos Líquidos : Estos desechos se producen por la depuración de los refrigerantes primarios, limpieza de la piscina de almacenamiento de combustible ya gastado, desagües, agua de lavado y fugas de agua. Cabe recalcar que los desechos líquidos producidos por una fisión o fusión pueden ser solubles o insolubles, por lo que se cuenta con 4 fases para realizar la gestión de líquidos, estos pueden ser: Evaporación, precipitación o floculación, separación en fase sólida e intercambio de iones.
Otra de la forma del proceso de sólidos, es la aplicación de sólidos húmedos a plásticos o polímeros, este es un proceso que hace poco se acaba de incorporar como alternativa para la gestión de residuos en centrales nucleares, pero no es tan utilizada por las demás centrales nucleares, debido a los costos que acapara. Entre los elementos polímeros que se utiliza en el proceso con sólidos, son las resinas de poliéster, viniléster o exposidiácas. El motivo, por el cual se ha implementado, el proceso por polímeros, es debido a que a comparación con el proceso de bituminización, los polímeros presentan mayor resistencia a la fuga de radionucleidos y son químicamente inertes.
- Desechos Gaseosos: En las explotaciones de las centrales nucleares, siempre se producen desechos nucleares en suspensión que están en el aire ya sea en formas de partículas o aerosoles nucleares. Los aerosoles nucleares, pueden producirse de diferentes formas de tamaño ya sea en estados de partículas líquidas o sólidas. Normalmente, existen tres fuentes principales de los aerosoles, estos son: por emisión de productos de corrosión activados y productos de fisión, por desintegración radioactiva de gases a elementos no volátiles y por adsorción de radio nucleídos volátiles formados en el proceso de fisión. A partir de estos procesos que ocurren para la aparición de las partículas en suspensión. Podemos mencionar los radio nucleídos más importantes que producen desechos nucleares gaseosos. Entre los cuales están: los halógenos, los gases nobles, el tritio y el carbono 14. Para la gestión de este tipo de desecho nuclear, todas las centrales nucleares realizan el mismo procedimiento que consiste en que los gases contaminados y el aire de ventilación, deben pasar obligatoriamente por filtros para eliminar los elementos contaminantes presentes en aquellos gases, para luego ser liberados a la atmósfera
mediante el uso de chimeneas. Aquellos sistemas de ventilación encargados de realizar el proceso de eliminación de contaminantes, constan de pre-filtros gruesos y filtros de elevada eficacia, elaboradas específicamente para partículas suspendidas en el aire. El porcentaje de eliminación de gases antes de ser liberados, es del 99.9% (Efremenkov, 1989).
7. Sistemas híbridos de energía nuclear y renovable. Un sistema híbrido es aquel que nos permite combinar dispositivos. Esto nos permite aprovechar un sistema tradicional y añadirle un sistema de energía renovable, que a su vez obtenemos ventajas como la de ahorro de energía y reducir gastos, además que es una instalación de alto rendimiento ( Universidad a Distancia de Madrid, 2019 ). En base al concepto, podemos decir que un sistema híbrido de energía ya sea nuclear o renovable, tiene el único fin de aprovechar lo que más se pueda de energía, pero combinada con otro sistema para realizar dos trabajos a la vez que sean sustentable. Esto traerá demasiados beneficios al poblado y al medio ambiente en sí. Energía nuclear. Para los sistemas híbridos en la energía nuclear se ha tratado de implementar numerosos sistemas híbridos para el máximo aprovechamiento de la energía. Uno de los sistemas más mencionados es el de generación de energía, a partir de la quema de desechos. Sin duda es un proceso muy interesante que a la vista de los investigadores en el proceso, es un excelente sistema de aprovechamiento de energía, que no solamente tendrá como fin la producción de la misma, sino que además, ayudara al medio ambiente. El proceso de quema de desechos o residuos nucleares, consta de la implementación de tecnología que permite que al tiempo en que se produce una reacción de fisión en un reactor, la tecnología que son los aceleradores, permite la generación de energía, al mismo tiempo que
Algunas plantas de energía renovable, se han fijado en específico en el uso del agua para abastecer a toda una población, la cual, se ha visto afectada por un bajo nivel de purificación de agua potable, debido a la presencia de sal en la misma. Varios países han estado realizando procesos de desalinización del agua a través de procesos de destilación. Es así como se han mantenido durante muchos años. En base al problema propuesto, para implementar un sistema híbrido de energía renovable para, no solamente abastecer de agua pura la población, sino, además incluir un suministro de energía, se adhiere el sistema híbrido, que consiste en la combinación de ciertos elementos o factores compuestos por: aerogeneradores, un banco de baterías, un generador diésel y un convertidor de 15kW. Para realizar el proceso del sistema, se implementa al sistema híbrido, un sistema tecnológico. Este sistema tecnológico se utiliza para disimular cómo será el funcionamiento una vez instalado los componentes para el sistema híbrido, además que se podrá programar y gestionar todo el sistema. El elemento tecnológico usado es un software llamado HOMER. El funcionamiento de todos estos elementos en conjunto, suplen las necesidades energéticas para las plantas de ósmosis inversas. Las plantas de ósmosis inversa, son aquellas tratantes de agua, en el proceso de la desalinización de la misma, el cual requiere de demasiadas exigencias de energía para su funcionamiento, al cual se le aplica dicho proceso de hibridación (Avila Prats et al., 2011).
8. Operación de una planta nuclear para producir energía Las plantas de energía nuclear usan el calor generado a partir de la fisión nuclear en un entorno contenido para convertir el agua en energía. Esta energía nuclear proporciona una fuente de energía, dando provisión energética constante a nivel mundial. Donde además brinda condiciones Bio-climaticas a favor de la naturaleza reduciendo el efecto invernadero.
Estas plantas nucleares están en constante control por parte de la Comisión de regulación nuclear (NRC) Ya que están expuestos a un accidente producidos por niveles de radiación que podrían afectar a la salud. Entrando en contexto: Los sistemas nucleares de potencia emplean la liberación controlada de la energía nuclear como una fuente de calor, para que esta sea convertida en energía eléctrica, o para la aplicación directa a calefacción y procesos industriales.
- Los sistemas nucleares tienen un gran ventaja en su elevada densidad de potencia y su enorme unidad de masa y combustible Por otra parte la principal desventaja es la generación se materiales radiactivos durante el funcionamiento. Principales procesos de una planta nuclear.
- Recinto de Contención: Se encuentra el reactor y los elementos de mayor radioactividad. Se denomina la zona de combustible
- Edificio de Combustible: Se almacena elementos de combustible nuevo y ya utilizado.
- Edificio de turbina: Contiene el grupo de turbina-alternador aquí se encuentra la mayor cantidad de auxiliares en las centrales de gran potencia.
- Edificio Eléctrico: Se localizan los sistemas eléctricos, centro de control de motores, las cabinas de potencia y sala de control. Originario: Esta potencia nuclear se origina en reacciones que involucran núcleos atómicos. Reacción de Fisión Reacción de Fusión Reacciones de desintegración de radioisótopos.
Tanto la radioactividad como la radiación que produce, existían en la tierra mucho antes que surgiera la vida. Poder de Penetración o la radiación: Esta radiación puede adoptar la forma de partículas aquí se incluyen las partículas alfa, beta, y neutrones.
- Partículas alfa: Esta energía está conformada por dos protones cargados positivamente y dos neutrones, poseen mayor carga, esta mayor carga implica interacción en mayor medida con los átomos circundantes, esta interacción.
- Partículas Beta: Constituida por electrones con carga negativa, llevan menos carga y por tanto son más penetrantes, estas partículas son más penetrantes que las partículas alfa, y pueden atravesar de uno a dos centímetros de tejido vivo.
- Rayos Gamma y rayos X: Son sumamente penetrantes y pueden atravesar materiales menos densos que una gruesa capa de acero, tienen un elevado poder de penetración cuando interaccionan material y tejido. Fuente:(Steiner, 2016) 10. Aplicaciones de los compuestos radiactivos:
- Electricidad: Esta se produce en las centrales nucleares
- Medicina: Las técnicas de diagnóstico y tratamiento de la medicina nuclear; son fiables y precisas: radiofármacos, gammagrafía, radioterapia, esterilización.
- Hidrología: Los isotopos se utilizan para seguir los movimientos del ciclo del agua e investigar los sitios del agua e investigar las fuentes subterráneas y su posible contaminación.
- Agricultura y Alimentación: Control de plagas de insectos mejora de las variedades del cultivo, conservación de los alimentos.
- Minería: A través de sondas nucleares se puede determinar la composición de la capa de la corteza terrestre.
- Industria: Desarrollo y mejora de los procesos e industriales, el control de calidad y la automatización.
- Arte: Las técnicas nucleares permiten comprobar la autenticidad y antigüedad de las obras de arte: así como llevar su restauración.
- Medio Ambiente: Técnicas como el análisis por activación Neutrónica permiten la detección y el análisis de diversos contaminantes
- Exploración Espacial: Las pilas nucleares se utilizan para alimentar la instrumentación de satélites y de sondas espaciales
- Cosmología:El estudio de la radiactividad de los meteoritos permite confirmar la antigüedad del universo. El hidrogeno como fuente de energía nuclear El hidrogeno es un combustible limpio del futuro porque su único subproducto es el agua.En un futuro ideal se dice que en el mundo existe fuentes de energía renovable y es probable que el Hidrogeno forme parte de un futuro Bio-Ambientalista. El hidrogeno es un energético secundario, y para obtenerlo es por una gran variedad de métodos. La fuente primaria está incluida la energía nuclear, las fuentes renovables como la biomasa, la energía solar, a energía eólica, y la hidráulica(Internacional Energía Atómica, 2016). VI. CONCLUSIONES. Respecto a la investigación realizada, podemos concluir los siguientes.
- Las pantas nucleares producen energía sustentable, que puede ayudar a la población ahorrando una gran cantidad de costos a comparación de otras centrales energéticas.
VII. BIBLIOGRAFÍAS
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