CURSO BÁSICO DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA NUCLEAR

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1 CURSO BÁSICO DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA NUCLEAR Organiza e imparte:

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3 ÍNDICE PRÓLOGO ÍNDICE DE AUTORES... 9 TEMA 1. PRINCIPIOS DE FÍSICA NUCLEAR Y RADIACIÓN INTRODUCCIÓN DE LAS GALAXIAS A LOS QUARKS: ESTRUCTURA DE LA MATERIA EL NÚCLEO ATÓMICO RADIACTIVIDAD FISIÓN Y FUSIÓN LA CONQUISTA DEL NÚCLEO ATÓMICO CONCLUSIONES...23 TEMA 2. CENTRALES NUCLEARES INTRODUCCIÓN: LA ENERGÍA MECANISMO DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA EN UNA CENTRAL NUCLEAR: LA FISIÓN CÓMO ES UNA CENTRAL NUCLEAR? CONCLUSIONES...36 TEMA 3. SEGURIDAD NUCLEAR INTRODUCCIÓN LA SEGURIDAD EN LAS CENTRALES NUCLEARES LA PROTECCIÓN RADIOLÓGICA EL ORGANISMO REGULADOR: CONSEJO DE SEGURIDAD NUCLEAR (CSN) CONCLUSIONES...52 Jóvenes Nucleares 3 de 172

4 TEMA 4. COMBUSTIBLE NUCLEAR CICLO DE COMBUSTIBLE NUCLEAR ELEMENTO COMBUSTIBLE COMPONENTES DEL ELEMENTO COMBUSTIBLE CONCLUSIONES TEMA 5. RESIDUOS RADIACTIVOS INTRODUCCIÓN CLASIFICACIÓN DE LOS RESIDUOS RADIACTIVOS ACTIVIDADES GENERADORAS DE RESIDUOS RADIACTIVOS. SEXTO PLAN GENERAL DE RESIDUOS RADIACTIVOS (PGRR) GESTIÓN DE LOS RESIDUOS RADIACTIVOS EN ESPAÑA: ENRESA ALMACENAMIENTO RBBA Y RBMA EN ESPAÑA: CENTRO DE ALMACENAMIENTO EL CABRIL CICLO DE COMBUSTIBLE NUCLEAR (PISCINAS, ATI S, ATC, REPROCESO, TRANSMUTACIÓN). ALMACENAMIENTO RAA EN ESPAÑA CONCLUSIONES REFERENCIAS TEMA 6. DESMANTELAMIENTO Y CLAUSURA DE INSTALACIONES RADIACTIVAS Y NUCLEARES INTRODUCCIÓN PERIODO DE OPERACIÓN DE UNA CENTRAL NUCLEAR EXTENSIÓN DE VIDA DE LAS CENTRALES NUCLEARES CALENDARIO DE AUTORIZACION DE EXPLOTACIÓN Y CIERRE DE LAS CENTRALES NUCLEARES ESPAÑOLAS Jóvenes Nucleares 4 de 172

5 6.6. MARCO TÉCNICO Y LEGISLATIVO DEL PROCESO DE DESMANTELAMIENTO DE INSTALACIONEES NUCLEARES Y RADIACTIVAS EN ESPAÑA DESMANTELAMIENTO DE INSTALACIONES NUCLEARES Y RADIACTIVAS DESMANTELAMIENTO DE LA CENTRAL NUCLEAR DE VANDELLÓS I PROYECTO DE CLAUSURA DE LA CENTRAL NUCLEAR DE JOSÉ CABRERA (ZORITA) DESMANTELAMIENTO Y RESTAURACIÓN DE OTRAS INSTALACIONES NUCLEARES CONCLUSIONES REFERENCIAS TEMA 7. LAS CENTRALES NUCLEARES DEL FUTURO INTRODUCCIÓN LA GENERACIÓN III Y III LA GENERACIÓN IV LA FUSIÓN CONCLUSIONES TEMA 8. OTROS USOS DE LA TECNOLOGÍA NUCLEAR LA ENERGÍA NUCLEAR Y LA INDUSTRIA LA ENERGÍA NUCLEAR EN LA AGRICULTURA Y LA ALIMENTACIÓN USO MÉDICO DE LA TECNOLOGÍA NUCLEAR APLICACIONES NUCLEARES EN ARTE APLICACIONES CIENTÍFICAS LA SEGURIDAD Y LA TECNOLOGÍA NUCLEAR EXPLORACIÓN ESPACIAL CONCLUSIONES Jóvenes Nucleares 5 de 172

6 TEMA 9. ENERGÍA NUCLEAR ANTE EL CAMBIO CLIMÁTICO Y LA SOSTENIBILIDAD INTRODUCCIÓN SOSTENIBILIDAD Y ENERGÍA ENERGÍA NUCLEAR Y DESARROLLO SOSTENIBLE OTRAS CUESTIONES A TENER EN CUENTA CONCLUSIONES Jóvenes Nucleares 6 de 172

7 PRÓLOGO Los Jóvenes Nucleares (JJNN) somos una comisión de la Sociedad Nuclear Española (SNE) declarada de Utilidad Pública según el Artículo 2º.11 del Real Decreto 1786/1996 de 19 de julio. Constituimos una asociación de estudiantes y profesionales sin ánimo de lucro. Los principales objetivos de los JJNN son: Promover la transferencia de conocimientos y experiencias entre las generaciones madura y joven de profesionales del sector nuclear. Fomentar la comunicación y el debate entre estos profesionales. Difundir conocimientos sobre energía nuclear señalando el papel que juega esta energía en el bienestar de nuestra sociedad. Facilitar la incorporación de jóvenes profesionales al sector. JJNN organiza, entre otras actividades, reuniones a nivel nacional e internacional, imparte charlas, conferencias, coloquios, etc. en colegios, institutos, universidades y empresas, y sus miembros asisten a foros y debates sobre ciencia, tecnología o energía. Jóvenes Nucleares 7 de 172

8 El principal objetivo de este curso es formar y acercar a los asistentes y lectores a los aspectos más relevantes de la ciencia y la tecnología nuclear. De esta manera, el curso recorre todo un abanico del conocimiento nuclear de manera rigurosa y amena, a pesar de las limitaciones de su duración y extensión, comenzando por ciertas nociones básicas de la física nuclear y finalizando con el análisis de dicha fuente de energía desde el punto de vista del desarrollo sostenible. En este viaje, habremos descrito las centrales nucleares, y sus diferentes tipos, deteniéndonos en su combustible y en los aspectos de seguridad más importantes de las mismas. Igualmente se habrán explicado y clasificado los residuos radiactivos y profundizado en el desmantelamiento de las instalaciones nucleares y radiactivas y en otras aplicaciones de la tecnología nuclear. Por último, se habrán descrito las centrales nucleares del futuro y se habrá analizado cómo la energía nuclear contribuye a nuestra lucha por ser fieles a un desarrollo sostenible y en contra del calentamiento global. La adquisición de una visión básica global clara sobre todos estos temas y que se suscite el suficiente interés como para seguir estudiándolos, constituye un éxito más que suficiente de quienes hemos trabajado en el curso. Gonzalo Armengol García (Westinghouse-Initec Nuclear) Coordinador del Curso Jóvenes Nucleares 8 de 172

9 ÍNDICE DE AUTORES Y REVISORES 1. Principios de Física nuclear y radiación: Autor y revisor: Manuel Fernández Ordóñez (CIEMAT) 2. Centrales Nucleares Autora: Ainhoa Hinestrosa Magán (TECNATOM) Revisor: Andrés Muñoz Cervantes (EMPRESARIOS AGRUPADOS) 3. Seguridad Nuclear Autor y revisor: Miguel Sánchez López (IBERDROLA) 4. Combustible Nuclear Autora: Sylvia Choithramani Becerra (ENUSA) Revisora: Eva Celma González-Nicolás (ENDESA) 5. Residuos Radiactivos Autores: José Antonio Suárez Navarro (CIEMAT) Rafael Lopez Gelado (INITEC NUCLEAR- WESTINGHOUSE) Revisor: Juan Alberto González (EDF) 6. Desmantelamiento y Clausura de Instalaciones Radiactivas y Nucleares Autor: Rafael Rubio Montaña (IBERDROLA) Revisora: Maria Elena de La Fuente Arias (INITEC NUCLEAR-WESTINGHOUSE) 7. Centrales Nucleares del Futuro Autor: Jose Luis Pérez Rodríguez (ENDESA) Revisor: Gonzalo Jiménez Varas (INITEC NUCLEAR- WESTINGHOUSE) Jóvenes Nucleares 9 de 172

10 8. Otros usos de la tecnología nuclear Autor: Francisco Álvarez Velarde (CIEMAT) Revisor: Xavier Jardí Cuerda (TECNATOM) 9. Energía nuclear ante el cambio climático y la sostenibilidad Autor: Antonio González Jiménez (FORO DE LA INDUSTRIA NUCLEAR ESPAÑOLA) Revisora: Laura Gala Delgado (FORO DE LA INDUSTRIA NUCLEAR ESPAÑOLA) Jóvenes Nucleares 10 de 172

11 Jóvenes Nucleares 11 de 172

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13 TEMA 1. PRINCIPIOS DE FÍSICA NUCLEAR Y RADIACIÓN Autor y Revisor: Manuel Fernández Ordóñez (CIEMAT) 1.1. INTRODUCCIÓN La Física Nuclear, que trata sobre la estructura, propiedades y transformaciones de los núcleos atómicos, es una disciplina científica que cuenta apenas con un siglo de antigüedad. El descubrimiento de los rayos-x en 1895 y de la radiactividad natural en 1896 marcaron el comienzo de la rama de la Ciencia que a mediados del siglo XX desencadenaría la III Revolución Industrial. Muchos han sido los avances, tanto teóricos como experimentales, desde finales del siglo XIX. En este capítulo haremos un pequeño resumen de la visión que los científicos han tenido del átomo desde aquellos años y cómo el conocimiento del mismo se ha ido transformando paulatinamente. Posteriormente describiremos los dos funcionamientos tipo de reacciones más energéticas del Universo, tanto la fusión como la fisión, haciendo especial hincapié en esta última, ya que en ella se basa el de todas las centrales nucleares existentes en el mundo. Finalizaremos el capítulo con una breve descripción histórica de la conquista de la energía nuclear. Jóvenes Nucleares 13 de 172

14 1.2. DE LAS GALAXIAS A LOS QUARKS: ESTRUCTURA DE LA MATERIA Como en otros ámbitos de la Ciencia, una de las dificultades de la Física Nuclear consiste en el tamaño del núcleo atómico, de unas dimensiones tan diminutas que dificulta cualquier aproximación cualitativa hacia su estudio. Es una tarea realmente complicada tratar de pensar qué es lo que sucede realmente a escalas tan pequeñas. Conviene, por tanto, llevar a cabo una breve discusión que enmarque las dimensiones y tamaños propios de los núcleos atómicos en comparación con otras escalas que tal vez nos son más familiares y cotidianas. Tomemos como punto inicial de nuestro recorrido una de las estructuras de mayor tamaño que pueden encontrarse en nuestro Universo y recorramos un camino descendente hacia el interior del núcleo atómico. A continuación enumeraremos las dimensiones típicas de diversos objetos: Galaxia m m Año luz m m Sistema solar m m Órbita de la Tierra m m Órbita de la Luna 10 9 m m Tierra 10 7 m m Distancia Madrid-Segovia 10 5 m m 1 Kilómetro 10 3 m m Un árbol 10 1 m 10 m Una mesa 10 0 m 1 m Un lápiz 10-1 m 0.1 m Una mosca 10-2 m 0.01 m Punta del lápiz 10-3 m m Célula humana 10-4 m m Núcleo de la célula 10-6 m m Cromosoma 10-7 m m ADN 10-8 m m Átomo de Hidrógeno m m Núcleo de Plomo m m Protón y Neutrón m m Jóvenes Nucleares 14 de 172

15 Tomemos como ejemplo el átomo de hidrógeno, podemos observar como su núcleo (formado únicamente por un protón) es veces más pequeño que el átomo, es decir, en realidad la materia está casi vacía A lo largo de la Historia, fueron varios los modelos que trataron de describir cómo estaban formados los átomos. La propia palabra viene de los tiempos de Demócrito, hacia el año 400 a.c., y hacía mención a aquello que no podía dividirse en algo más pequeño. En la actualidad sabemos que, en realidad, los núcleos atómicos no son entes indivisibles, sino que están formados por otras partículas más pequeñas denominadas quarks, pero cuya explicación está fuera de las pretensiones de este curso. El primero que trató de dar una explicación acerca de la concepción del átomo fue Dalton, allá por En este modelo se establecía que: La materia está formada por partículas muy pequeñas llamadas átomos, que son indivisibles. Los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí. Los compuestos químicos se forman al unirse átomos de dos o más elementos distintos. Este modelo permaneció durante casi un siglo, hasta que en 1897 Joseph Thomson descubrió el electrón y creó su imagen del plum-cake o pastel de pasas, dando por hecho que la materia se componía de dos partes, una positiva y otra negativa. Según este modelo, el átomo consistía en una nube positiva en la que se encontraban suspendidos los electrones. El número de cargas negativas era el adecuado para neutralizar la carga positiva. Jóvenes Nucleares 15 de 172

16 En el año 1911 el físico inglés Ernst Rutherford llevó a cabo su famoso experimento de bombardear núcleos de oro con partículas alfa. De sus asombrosos resultados postuló su modelo atómico, que aún siendo obsoleto corresponde a la percepción más común del átomo del público no científico. En este modelo, la parte positiva de la carga se concentra en un núcleo, el cual contiene también casi toda la masa del átomo, mientras que los electrones se ubican en una corteza orbitando alrededor del núcleo en órbitas circulares o elípticas con un espacio vacío entre ellas. Figura 1. Imagen del átomo según el modelo de Rutherford. Posteriormente, el físico danés Niels Bohr postuló un modelo muy parecido al de Rutherford en el que se tenía en cuenta la teoría cuántica y conseguía explicar numerosas observaciones experimentales. Finalmente, en 1926 Erwin Schrödinger postuló el modelo atómico que tenemos en la actualidad. En este modelo se abandona la visión de los electrones como esferas diminutas que giran en torno al núcleo. Desaparece el concepto de órbita para entrar en juego el concepto de orbital, incorporando los nuevos avances de la época en el campo de la Física Cuántica. Jóvenes Nucleares 16 de 172

17 1.3. EL NÚCLEO ATÓMICO Hoy sabemos que un átomo consta de un núcleo que porta casi la totalidad de la masa del átomo y unos electrones dispuestos en torno al núcleo de acuerdo con unas distribuciones de probabilidad que determina la física cuántica. El núcleo del átomo no es un ente fundamental, sino que puede ser dividido en partes más pequeñas. Está formado por neutrones (sin carga eléctrica) y protones (con carga eléctrica positiva), y sabemos que estas dos partículas (llamas genéricamente nucleones) tampoco son fundamentales, sino que están compuestas de otras más pequeñas denominadas quarks. Un elemente químico está caracterizado por el número de protones que tienes, es decir, por su carga. Pero un mismo elemento químico puede tener distinto número de neutrones, estas especies se llaman isótopos. De este modo, por ejemplo, el núcleo de hidrógeno que generalmente sólo tiene un protón, puede además tener un neutrón (llamándose Deuterio) o incluso dos (llamándose entonces Tritio). Estos núcleos suelen representarse con su símbolo y un número que indica el número de nucleones que posee, es decir, su número másico o número de neutrones + protones. Así, para el caso del hidrógeno: Hidrógeno 1 H Deuterio 2 H Tritio 3 H Del mismo modo el elemento Uranio, cuyo isótopo mayoritario es el 238 U que tiene 92 protones y 146 neutrones, puede tener también otros isótopos como el 235 U con 92 protones y 143 neutrones o el 233 U con 92 protones y 141 neutrones. Jóvenes Nucleares 17 de 172

18 1.4. RADIACTIVIDAD Como hemos mencionado en la sección anterior, un mismo elemento químico tiene varios isótopos (puede tener hasta varias decenas), sin embargo únicamente dos o tres de ellos, en general, son estables. El resto son inestables y se convierten en isótopos estables mediante varios procesos radiactivos. En la naturaleza existen aproximadamente unos 300 núcleos atómicos estables y, hasta el momento, hemos podido originar en el laboratorio, de diversas formas, más de 2000 núcleos inestables. Todo en la naturaleza tiende hacia un estado de mínima energía, u en física nuclear, eso significa que los núcleos inestables (que tienen un exceso de energía) tratan a toda costa de convertirse en núcleos estables mediante procesos radiactivos. Existen, básicamente, cuatro procesos radiactivos en la naturaleza: la radiación alfa, la radiación beta, la radiación gamma y la fisión. La radiación beta consiste en la emisión de electrones por parte del núcleo inestable; la radiación alfa consiste en la emisión de núcleos de Helio (2 protones y 2 neutrones), mientras que la radiación gamma consiste en la emisión de ondas electromagnéticas de la misma naturaleza que la luz que vemos a diario, pero de mucha más energía FISIÓN Y FUSIÓN La fisión y la fusión nuclear son dos procesos antagónicos que, sin embargo, tienen algo en común: ambos liberan grandes cantidades de energía susceptible de ser Jóvenes Nucleares 18 de 172

19 utilizable. Profundizaremos un poco más en ambos conceptos a continuación, comenzando por la fusión. Fusión Nuclear La fusión nuclear es un proceso mediante el cual dos núcleos atómicos ligeros se unen para formar un núcleo más pesado, con la particularidad de que su masa es inferior a la suma de las masas de los dos núcleos iniciales. Según la famosa ecuación que debemos a Einstein la energía y la masa son la misma cosa: E=mc2. Por tanto, si el núcleo final tiene menos masa que los dos núcleos iniciales, ese defecto de masa se ha transformado en energía liberada, energía que podemos aprovechar del mismo modo que lo hacemos con la combustión de combustibles fósiles. La reacción típica que tiene lugar en un reactor de fusión se da entre dos isótopos del hidrógeno que ya hemos mencionado anteriormente, el deuterio y el tritio, del siguiente modo: Deuterio + Tritio 4 He MeV + neutrón MeV Figura 2. Esquema de una reacción de fusión. Jóvenes Nucleares 19 de 172

20 Actualmente se encuentra en marcha el proyecto internacional ITER, que llevará a cabo la construcción de un reactor nuclear de fusión en Cadarache (Francia) para demostrar la viabilidad científica y técnica de este tipo de energía. Fisión Nuclear Ésta es la reacción más importante y relevante en el marco de este curso, ya que las centrales nucleares actuales basan su funcionamiento en este tipo de reacciones. La fisión es un proceso nuclear mediante el cual un núcleo atómico pesado se divide en dos o más núcleos pequeños, emitiendo además algunos subproductos. Estos subproductos incluyen neutrones, rayos gamma y otras especies como partículas alfa (núcleos de helio) y beta (electrones). La fisión, como vemos, es el proceso antagónico a la fusión, pero análogamente, en la fisión se libera una gran cantidad de energía. El núcleo pesado inicial tiene una masa superior a la suma de los dos núcleos en los que se divide. Por tanto, y una vez más, ese exceso de masa se transforma en energía tal y como establece la célebre ecuación E=mc 2. Jóvenes Nucleares 20 de 172

21 Figura 3. Esquema de una reacción de fisión. La forma en la que se induce una reacción de fisión es la siguiente, se envía un neutrón con la velocidad (energía) adecuada contra un núcleo susceptible de ser fisionado (por ejemplo el isótopo del Uranio que tiene 235 nucleones, 235 U). Este isótopo captura (absorbe) al neutrón y se hace altamente inestable, comenzando a vibrar y a agitarse. Finalmente el núcleo se parte en dos trozos, emitiendo además varios neutrones. Si en las inmediaciones del núcleo que ha fisionado tenemos otros núcleos susceptibles de ser fisionados, éstos pueden absorber los neutrones emitidos por el primer núcleo, a su vez emitirán nuevos neutrones que serán absorbidos por otros núcleos de 235 U y así sucesivamente, teniendo lugar lo que conocemos como Reacción en cadena, que es la clave para el funcionamiento de las centrales nucleares, tal y como se explicará en los siguientes capítulos de este curso. Jóvenes Nucleares 21 de 172

22 Figura 4. Esquema de una reacción de fisión en cadena. No todos los núcleos pesados tienen la capacidad de ser fisionados, solamente algunos de ellos cumplen los requisitos necesarios. Ejemplos de estos núcleos son 233 U, 235 U o el 239 Pu LA CONQUISTA DEL NÚCLEO ATÓMICO El primero en hacer experimentos mediante el bombardeo de núcleos de Uranio con neutrones fue el ilustre físico italiano Enrico Fermi, sus trabajos le valieron el Premio Nobel de Física en Sus investigaciones alentaron a Otto Hahn, Lisa Meittner and Fritz Strassmann, que en 1939 demostraron que después de bombardear Uranio con neutrones, aparecían núcleos de Bario, que tenía una masa Jóvenes Nucleares 22 de 172

23 aproximadamente la mitad que el Uranio. Estos resultados crearon una gran controversia en la comunidad científica, pero fueron rápidamente corroborados por nuevos experimentos que disiparon todas las dudas al respecto. Estos trabajos le valieron a Otto Hahn el Premio Nobel de Química en Gran parte de los científicos implicados en estas investigaciones eran de origen judío, y acabaron emigrando a Estados Unidos a medida que los regímenes totalitarios se adueñaban de sus respectivos países. Tal fue el caso de Enrico Fermi, que aprovechando la ceremonia de entrega de los Nobel escapó junto con toda su familia del fascismo de Mussolini. Este insigne físico, uno de los más grandes de la historia, condujo a su equipo de investigación a uno de los mayores logros de la historia de la Ciencia, la primera reacción nuclear en cadena autosostenida, que tuvo lugar a las 15:20 horas del día 2 de diciembre de Ese día la Humanidad logró iniciar una reacción en cadena y posteriormente detenerla, consiguiendo liberar de forma controlada la fuente de energía más poderosa del Universo CONCLUSIONES El átomo consta de un núcleo central que tiene más del 99% de la masa del mismo, rodeado por electrones que orbitan alrededor del núcleo. El núcleo de un átomo está formado por neutrones y protones, a estas dos partículas se les llama nucleones (por ser los que conforman el núcleo). La energía y la masa son equivalentes, tal y como postuló Einstein en su famosa ecuación E=mc 2. Jóvenes Nucleares 23 de 172

24 La fusión y la fisión son dos tipos de reacciones nucleares en las que se libera energía debido que los núcleos resultantes de la reacción tienen menos masa que los núcleos iniciales. La diferencia de masa se transforma en energía. En la fusión dos núcleos ligeros se juntan en uno de mayor masa. En la fisión un núcleo pesado se divide en dos de menor masa. La reacción de fisión nuclear es la reacción más energética del Universo. En la fisión se liberan, entre otras partículas, neutrones. Estos neutrones pueden, a su vez, fisionar nuevos núcleos y crear una reacción en cadena. La reacción en cadena es la base del funcionamiento de las centrales nucleares. El primer reactor nuclear fue construido por Fermi en 1942, debajo de las gradas del estadio de la Universidad de Chicago. Jóvenes Nucleares 24 de 172

25 TEMA 2. CENTRALES NUCLEARES Autora: Ainhoa Hinestrosa Magán (Tecnatom) Revisor: Andrés Muñoz Cervantes (Empresarios Agrupados) 2.1. INTRODUCCIÓN: LA ENERGÍA La energía es una de las fuerzas vitales de nuestra sociedad. Nuestro estilo de vida sería imposible sin energía. De ella dependen, entre otras cosas, la iluminación de interiores y exteriores, el calentamiento y refrigeración de nuestras casas, el transporte de personas y mercancías, la obtención de alimento y su preparación, o el funcionamiento de las fábricas. Hace poco más de un siglo las principales fuentes de energía eran la fuerza de los animales y la de los hombres y el calor obtenido al quemar madera. El ingenio humano también había desarrollado algunas máquinas con las que aprovechaba la fuerza hidráulica para moler los cereales o preparar el hierro en las herrerías, o la fuerza del viento en los barcos de vela y los molinos de viento. Pero la gran revolución vino con la máquina de vapor. Desde entonces se ha producido un gran desarrollo de la industria y de la tecnología. Nuestro planeta posee grandes cantidades de energía. Sin embargo, uno de los problemas más importantes es la forma de transformarla en energía útil y utilizable con el menor impacto ambiental posible. Esta energía viene en su mayor parte de los combustibles fósiles (carbón, petróleo o gas), aunque Jóvenes Nucleares 25 de 172

26 éstos tienen dos problemas importantes: son limitados y contaminan. Y por otra parte, los combustibles fósiles se están agotando, y provocan graves daños medioambientales; el llamado calentamiento global del planeta puede estar ocasionado por la utilización de dichos combustibles MECANISMO DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA EN UNA CENTRAL NUCLEAR: LA FISIÓN La energía eléctrica en las centrales, sean térmicas, nucleares o hidroeléctricas, se produce en el alternador, que está movido gracias a la turbina. Cómo se acciona esta turbina diferencia el tipo de centrales. Por una parte, las centrales hidroeléctricas aprovechan la energía potencial del agua para mover las turbinas tipo Francis o Pelton. Por otra parte, tanto las centrales térmicas como las nucleares calientan agua a alta presión para accionar la turbina. En las centrales térmicas el agua se caliente mediante la combustión de petróleo, gas o carbón en la caldera, mientras que en las centrales nucleares el agua se calienta gracias a la liberación de calor que se produce en las reacciones nucleares del reactor. En la gran mayoría de reactores, se utiliza el uranio como combustible para obtener calor. Cómo se consigue obtener energía del uranio? El uranio se introduce en un reactor nuclear, y se le disparan neutrones, lo que provoca que se rompa el núcleo. En esta ruptura se libera Jóvenes Nucleares 26 de 172

27 gran cantidad de energía en forma de calor que es la que se aprovecha para calentar agua que permite accionar la turbina Además de energía, en el proceso de ruptura del núcleo de uranio también se libera un neutrón, que choca con otro núcleo de uranio y vuelve a liberar energía. Figura 1. La fisión nuclear CÓMO ES UNA CENTRAL NUCLEAR? Se puede considerar que una central nuclear consta de cuatro partes: Generador de calor: reactor o núcleo de la central donde se producen las reacciones nucleares y la liberación de calor. Generador de vapor: intercambiador en el que gracias al calor generado en el reactor se forma el vapor para accionar la turbina. Dependiendo del tipo de central puede ser el propio reactor. Jóvenes Nucleares 27 de 172

28 Generador de energía mecánica: turbina en la que se genera energía mecánica a partir de la energía contenida en el vapor. Generador de electricidad: generador donde se produce energía eléctrica a partir de la energía mecánica que la turbina transmite al alternador Actualmente en España, existen dos tipos de centrales nucleares, las centrales de agua a presión y las centrales de agua en ebullición. A continuación se hace una breve descripción de ambas. Centrales de Agua a Presión (PWR) En una central de agua a presión, el agua que se calienta en el reactor para producir posteriormente vapor en el generador de vapor, está presurizada, manteniendo la temperatura por debajo de la temperatura de saturación lo que favorece la refrigeración del combustible. Jóvenes Nucleares 28 de 172

29 Figura 2. Esquema central nuclear PWR. En una central PWR existen tres circuitos diferenciados: El circuito primario: está formado por el reactor o vasija y los lazos de refrigeración, que pueden ser dos, tres o cuatro. Cada lazo de refrigeración contiene: Un generador de vapor. Es la frontera entre el circuito primario y el secundario, por lo que también se considera parte del circuito secundario. Una bomba del refrigerante del reactor. Un presionador en uno de los lazos. Jóvenes Nucleares 29 de 172

30 Figura 3. Circuito primario. En la vasija del reactor están alojados los elementos combustibles. Estos elementos combustibles están formados por múltiples varillas que contienen el uranio necesario para llevar a cabo las reacciones nucleares de fisión. Algunas de estas varillas no contienen combustible. Éstas se utilizarán para alojar las barras de control, que controlan la reacción nuclear. Este control se hace absorbiendo neutrones para que no pueda seguir la reacción en cadena. Para soportar el peso de los elementos combustibles y favorecer su refrigeración, es necesario el uso de componentes Jóvenes Nucleares 30 de 172

31 estructurales internas (columnas y soportes). Todo, componentes y combustible está envuelto por las paredes de la vasija del reactor, que constituyen una barrera para las partículas radiactivas que provienen de las reacciones nucleares. Cada lazo posee un generador de vapor donde se produce vapor a alta presión. El generador de vapor es un intercambiador de calor en el que el agua del circuito primario (proveniente directamente del reactor) transfiere calor al agua del circuito secundario (que acciona la turbina). Para poder transportar el agua del circuito primario desde los generadores de vapor a la vasija del reactor, es necesario el uso de unas bombas de gran potencia y tamaño, llamadas bombas de refrigerante del reactor. Finalmente, en el circuito primario existe un equipo llamado presionador, que es un elemento muy importante ya que se encarga de mantener la presión del circuito primario constante y en el nivel deseado. Figura 4. Pastillas de combustible. Figura 5. Elemento combustible. Jóvenes Nucleares 31 de 172

32 Figura 6. Generador de vapor. Figura 7. Bomba de refrigerante del reactor. Figura 8. Presionador. Jóvenes Nucleares 32 de 172

33 El circuito secundario: está formado por el generador de vapor, la turbina, el condensador y los equipos de bombeo y de calentamiento. Figura 9. Esquema básico del circuito secundario. El vapor producido en los generadores de vapor se conduce hacia la turbina, donde la energía térmica contenida en el vapor, se transforma en energía mecánica. La turbina tiene dos cuerpos, uno de alta presión y otro de baja presión. El vapor procedente del generador de vapor entra en la turbina de alta presión. El vapor que sale de la turbina de alta presión se debe recalentar y deshumidificar para aumentar el rendimiento termodinámico de la planta y para evitar daños estructurales de las turbinas de baja presión. El vapor de baja energía que sale de las turbinas de baja presión se conduce al condensador, donde gracias al agua del Jóvenes Nucleares 33 de 172

34 circuito terciario, agua de circulación, se consigue condensar todo este vapor. El agua condensada vuelve a los generadores de vapor, previo calentamiento, transportada por equipos de bombeo. El circuito terciario: está constituido por el circuito de agua de circulación o agua necesaria para condensar el vapor expansionado en las turbinas de baja presión. El agua de circulación pertenece a un circuito abierto, es decir el agua se toma de una fuente (el mar, un río, ) refrigera el condensador y vuelve a mayor temperatura a la fuente inicial. Para que no haya un cambio brusco de temperatura de la fuente, y pueda influir en el ecosistema, se vigila de forma precisa la temperatura de agua de retorno. Centrales de Agua en Ebullición (BWR) A diferencia de las centrales tipo PWR, en las centrales de agua en ebullición (BWR), no existen tres circuitos independientes, sino que sólo hay dos; el vapor no está generado en un circuito secundario, sino directamente en la vasija: el agua se evapora gracias al calor de las reacciones de fisión. En este tipo de centrales no es necesario el uso de un presionador que mantenga la presión en el primario, ya el agua de refrigeración del reactor se evapora. El generador de vapor es el propio reactor. Jóvenes Nucleares 34 de 172

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