Uno de los problemas técnicos esenciales consiste en controlar esta energía de forma segura.

Transcripción

1 La energía nuclear En las reacciones químicas se producen cambios en la distribución de los electrones que giran alrededor de los núcleos, mientras que en las reacciones nucleares son los propios núcleos los que sufren cambios. Por otro lado, en una reacción química, la masa de los productos al principio y al final es la misma, mientras que los productos obtenidos en una reacción nuclear suman menos masa que los productos iniciales. Esta diferencia de masa sólo puede traducirse en una producción de energía: la materia no se puede crear ni destruir, solo se transforma; en este caso, en energía. Existen dos formas de utilizar la energía nuclear: por reacciones de fisión y por reacciones de fusión. Uno de los problemas técnicos esenciales consiste en controlar esta energía de forma segura. Las reacciones de fisión han sido controladas técnicamente para la producción de energía. Los combustibles empleados son determinados isótopos de uranio o plutonio que son bombardeados por neutrones. En cierto modo, los neutrones son como la cerilla que prende el fuego nuclear. Cuando se quiere regular cualquier proceso técnico hay que recurrir a sistemas de control, que sean lo más sencillos y fiables posibles. Por ejemplo, mediante el mando del volumen de un aparato musical podemos graduar el nivel de sonido; cuando se presiona el pedal del freno de un vehículo disminuye su velocidad según nuestra voluntad; cuando pedaleamos con más o menos intensidad podemos variar la velocidad de una bicicleta dentro de nuestros propios límites, etc. Pues bien, cómo se consigue regular la reacción nuclear en una central para que no se produzca una explosión atómica? El sistema que se emplea para el control de las reacciones nucleares consiste en recurrir a un moderador (excepto en el caso del reactor reproductor rápido). Los moderadores son sustancias que frenan las velocidades de los neutrones y, por ello, disminuyen las reacciones nucleares y la energía liberada. Técnicas de aprovechamiento de la energía nuclear En el interior de un reactor nuclear se libera una gran cantidad de energía en forma de calor Este calor ha de ser evacuado constantemente por un refrigerante, el cual actúa como un vehículo que traslada la energía térmica del reactor nuclear a una IES. Cristóbal de Monroy, Dpto. de Tecnología página 1 de 7

2 turbina que mueve un generador de electricidad. Este es el principio del funcionamiento de una central nuclear. La peligrosidad de ciertas radiaciones y el extraordinario poder energético que se manifiesta imponen técnicas de aprovechamiento que, aunque en lo esencial coinciden con el anterior esquema, requieren determinados dispositivos que aumenten la seguridad y la eficacia del proceso termonuclear. Los reactores nucleares pueden clasificarse atendiendo a varios criterios: - Según la velocidad de los neutrones que producen las reacciones de fusión: reactores rápidos y reactores térmicos. - Según el combustible que utiliza el reactor: uranio natural o uranio enriquecido. - Según el moderador utilizado: agua ligera, agua pesada o grafito. - Según el tipo de refrigerante. Algunos reactores emplean como refrigerante el agua (ligera o pesada), que les sirve también de moderador; otros refrigerantes posibles son: anhídrido carbónico y helio, aire, metales líquidos o sales fundidas. El ciclo del combustible nuclear Un combustible químico, por ejemplo el carbón, se toma de la naturaleza y casi directamente está disponible para producir energía. Una vez empleado, queda agotado en forma de residuos gaseosos y escorias que son inservibles desde un punto de vista energético. Los combustibles nucleares, sin embargo, no están "listos para su uso ni tampoco se gastan totalmente en cada una de las cargas del reactor de la central. En un reactor nuclear convencional PWR o BWR no se convierte en energía toda la masa del uranio, sino una pequeña parte: aproximadamente el 1%. Muchas centrales nucleares funcionan con uranio enriquecido. El uranio natural debe enriquecerse mediante procesos técnicos muy sofisticados. Cuando el combustible nuclear ha sido empleado, no sólo tiene residuos inertes, sino que hay restos que siguen emitiendo radiaciones durante muchos años; una parte importante de ellos puede volver a emplearse para producir IES. Cristóbal de Monroy, Dpto. de Tecnología página 2 de 7

3 más energía, una vez tratados de forma adecuada. Esta es la razón por la que podemos hablar del proceso del combustible nuclear, el cual es más cíclico que lineal. La extracción de minerales radiactivos, la elaboración del combustible y el tratamiento posterior de los residuos constituyen el ciclo del combustible. En resumen, las etapas de este proceso son: a) Obtención y preparación del combustible nuclear. La minería del uranio y del torio permite obtener el mineral que posteriormente, tras la conversión en la forma química adecuada, ha de enriquecerse con isótopos fisibles. b) Irradiación. En esta etapa, el combustible es irradiado por neutrones que provocan la fisión de los núcleos atómicos, produciendo energía. c) Recuperación, tratamiento y almacenamiento. En esta etapa se reelaboran los materiales energéticos todavía fértiles para producir más energía y se tratan convenientemente los residuos radiactivos. Los programas nucleares comienzan con la extracción del mineral de uranio de los yacimientos que se hallan al aire libre o en el subsuelo. Posteriormente, se concentran y se convierten en hexafluoruro de uranio (UF). El hexafluoruro ha de enriquecerse añadiendo una mayor cantidad del isótopo U-235, que es mucho más fisionable que el U-238. El UF6, una vez enriquecido, se transforma en óxido de uranio (U0 2 ) en polvo. Este polvo sirve para la preparación del combustible en forma de pastillas que posteriormente se introducen en la barras de combustible del reactor nuclear de la central. Los residuos nucleares La utilización de la energía nuclear, tanto en la producción de energía eléctrica, así como algunas aplicaciones médicas científicas o industriales, generan residuos radiactivos. La mayor parte de los problemas causados por dichos residuos se debe al ciclo del combustible nuclear de los reactores y a las aplicaciones bélicas. Los residuos orgánicos tienen una vida muy limitada; su biodegradación y descomposición se realiza en muy poco tiempo. Los residuos químicos tienen una vida mayor, tanto más cuanto más lentos sean sus procesos de oxidación o más estables sean sus compuestos frente a los agentes biológicos y atmosféricos; en cualquier caso, su actividad química, cuando ésta es nociva, se puede desactivar mediante procesos tecnológicos ya conocidos. Por ejemplo, en el caso del cianuro, su degradación es muy complicada y se recurre a su oxidación mediante el cloro o el ozono hasta convertirlo en dióxido de carbono y nitrógeno. Se designan con el nombre de residuos radiactivos aquellos materiales que contienen radioisótopos en proporción superior a la admitida por la legislación correspondiente. La mayor parte provienen de las centrales nucleares, aunque también se originan en los centros de investigación y en algunos aparatos clínicos. IES. Cristóbal de Monroy, Dpto. de Tecnología página 3 de 7

4 Tipos de radiaciones Ahora bien, los residuos radiactivos, en su proceso de desintegración, en el que emiten radiaciones, no pueden desactivarse. Siguen un constante latido radiactivo en el que emiten: - Radiaciones alfa (a). Son partículas de carga eléctrica positiva, similares a los iones de helio, poseen dos protones y dos neutrones. Su velocidad es de km/s y su poder de penetración en la materia es muy escaso. Las detiene una lámina de aluminio de 1 mm de espesor - Radiaciones beta (ß). Están constituidas por partículas de carga eléctrica negativa y tienen masa y carga similares a las de los electrones. Son emitidas por los materiales radiactivos a la velocidad de la luz. Por poseer menos masa que las partículas alfa tienen menos energía, pero su poder de penetración es mayor Las detiene una lámina de aluminio de 5 mm de espesor - Radiaciones gamma (?). Son radiaciones electromagnéticas ondulatorias que no tienen ninguna partícula asociada, Son análogas a los rayos X y tienen un poder de penetración muy alto. Atraviesan gruesos espesores metálicos y sólo son detenidas por blindajes gruesos de plomo. Son las radiaciones más peligrosas. Para conocer la vida media de un elemento radiactivo se utiliza el concepto de periodo de semidesintegración, que es el tiempo que debe transcurrir para que cierto número de átomos radiactivos se reduzcan a la mitad. Este valor varía de unos elementos a otros, siendo de años para el plutonio, de años para el uranio-238, de 30 años para el cesio-137 y de 28 años para el estroncio-90. Por otro lado, los residuos nucleares suelen clasificarse como de baja, media y alta actividad. Los residuos de baja y media actividad están constituidos por ropas, guantes, herramientas, componentes sustituidos, etc. Los residuos de alta actividad los forman los combustibles gastados o las disoluciones residuales del reprocesamiento del combustible nuclear. El verdadero problema de los residuos nucleares lo crean, sobre todo, los de alta actividad. Algunos de ellos, con vidas de miles de años. Gestión de residuos nucleares En la actualidad, los residuos líquidos de alta actividad, mediante procesos adecuados, se reducen a sólidos. La vitrificación, o sea, la incorporación de los IES. Cristóbal de Monroy, Dpto. de Tecnología página 4 de 7

5 desechos al cristal es el mejor método de solidificación, ya que conserva sus propiedades a altas temperaturas, es resistente a los daños producidos por la radiación, y tarda miles de años en disolverse. Así pues, residuos sólidos y residuos líquidos vitrificados se almacenan de forma controlada en el interior de la tierra. Pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos. Los residuos gaseosos procedentes de las centrales nucleares, una vez tratados para eliminar parte de su radiactividad y las partículas sólidas que los acompañan, se envían directamente a la atmósfera. Los residuos sólidos de baja y media radiactividad (ropa, herramientas, desechos procedentes de residuos líquidos y gaseosos, etc.) se mezclan con hormigón y se introducen en bidones, que se almacenan primero en la propia central y, luego, se transportan hasta su emplazamiento definitivo. Los residuos sólidos de alta radiactividad (combustible gastado) se almacenan primero en la propia central, en piscinas de hormigón llenas de agua, y después se conducen a fábricas de reprocesamiento en las que se recupera el material combustible no consumido y el resto se transporta a unas zonas determinadas, geológicamente estables y carentes de corrientes subterráneas de agua (cementerios radiactivos), donde se entierran dentro de recipientes resistentes a la corrosión. Por último, cabe mencionar los problemas que se plantean ante el desmantelamiento definitivo de una central nuclear, y que significan un coste cuantioso, tanto en lo que respecta a las operaciones técnicas como a los dispositivos de seguridad que es necesario emplear. La energía nuclear con fines bélicos: Bomba atómica y bomba de hidrógeno. En las reacciones de fisión y fusión nuclear se libera una gran cantidad de energía en un breve espacio de tiempo. Esto posibilita su utilización con fines destructores, dando lugar a las conocidas bomba atómica (A) y bomba de hidrógeno (H). Bomba atómica o de fisión Su fundamento es el mismo que el del reactor nuclear. Lo único que los diferencia es que en este caso no se contraía la reacción, y ésta se hace explosiva al ser el factor de multiplicación mayor que 1. La reacción de fisión en cadena se inicia en el momento en que un neutrón incida sobre una masa de combustible superior a la crítica. Por tanto, para poder manipular este tipo de armas es preciso que no se alcance la masa crítica antes del momento deseado, lo cual se consigue por dos procedimientos: por choque y por compresión. IES. Cristóbal de Monroy, Dpto. de Tecnología página 5 de 7

6 Por choque. Se disponen en los extremos de un cilindro dos masas de U-235 o Pu-239 interiores a la crítica, y se mantienen separadas y protegidas por materiales captadores de neutrones; de esta forma, se evita una posible explosión durante el transporte. Mediante la acción de un explosivo clásico (bomba de dinamita) que actúa de «espoleta», se empujan los trozos de uranio o plutonio uno contra otro, juntándolos. De este modo se consigue el (tamaño crítico), se inicia la reacción y ésta prosigue de forma incontrolada. Por compresión. Se rodea una masa inferior a la crítica con una cubierta esférica de un explosivo convencional, que se hace detonar instantáneamente en el momento deseado, originando una onda de choque dirigida hacia el centro geométrico de la masa, que se comprime y se convierte en crítica. Energía nuclear de fusión Desde 1960, los esfuerzos de investigación de múltiples países se encaminan a la obtención de métodos que hagan rentable una utilización pacífica de la energía de fusión. Los inicios de la experimentación corresponden a la antigua URSS, con el proceso ya clásico de confinamiento lento o método Tokamaks (iniciales de las palabras rusas Toroidalny Kamera Makina, que significa «máquina de cámara toroidal»), llevado a cabo en el Instituto Kurchatov de Moscú, y que ha tenido su continuación en diferentes proyectos en la URSS, Francia, en Japón, y el JET (Joint Furopen Torus), como proyecto europeo. En todos ellos se parte de un almacenamiento del plasma (núcleos atómicos desprovistos de los electrones corticales) mediante la acción de potentísimos campos magnéticos (botellas magnéticas), comprimirlo después para elevar la temperatura y conseguir la densidad necesaria para que tenga lugar la fusión nuclear. Actualmente la investigación se orienta hacia el llamado método de confinamiento inercial, en el que el láser desempeña un papel importante; de ahí que el avance de dicha investigación esté supeditado al desarrollo de la tecnología láser de alta potencia. Hoy en día ni un método ni otro son económicamente rentables, pues es mayor la energía consumida en el proceso que la obtenida con él. No obstante, dado el avance tan rápido de la ciencia, es de esperar que los próximos años proporcionen a la Humanidad el aprovechamiento industrial de esta nueva fuente de energía, considerada por muchos científicos como la energía del futuro. El posible aprovechamiento a escala industrial de la energía nuclear de fusión presenta indudablemente dos grandes ventajas con respecto a la energía de fisión: IES. Cristóbal de Monroy, Dpto. de Tecnología página 6 de 7

7 - Utiliza como materias primas isótopos del hidrógeno que, aunque porcentualmente escasos, abundan en la naturaleza dada la gran cantidad de hidrógeno existente en el agua de mares y océanos. - Es una energía limpia, pues no se generan isótopos radiactivos como en el caso de la fisión. No obstante, probablemente presente también algunos peligros, relacionados con la utilización de importantes cantidades de tritio, por una parte, y con la producción de neutrones energéticos, por otra. Aunque los riesgos biológicos de estas radiaciones aún no han sido suficientemente estudiados, convendrá en el futuro extremar las precauciones a fin de evitar que una energía en principio muy «limpia» pueda convertirse en foco de contaminación medioambiental. IES. Cristóbal de Monroy, Dpto. de Tecnología página 7 de 7