Cómo Funciona La Energía Nuclear

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La energía nuclear proporciona electricidad a un porcentaje significativo de la población mundial. Echa un vistazo dentro de un reactor nuclear con WordsSideKick.com.

Para algunos, la energía nuclear ofrece una alternativa de energía limpia que nos libera de las cadenas de la dependencia de los combustibles fósiles. Para otros, convoca imágenes de desastres: centrales eléctricas japonesas rotas por el terremoto que arrojan vapor radiactivo, la zona muerta que rodea el sarcófago de hormigón de Chernóbil.

Pero, ¿qué sucede dentro de una planta de energía nuclear para crear semejante maravilla y miseria? Imagínese siguiendo un voltio de electricidad a través del enchufe de pared, a lo largo de millas de líneas eléctricas hasta el reactor nuclear que lo generó. Te encontrarás con el generador que produce la chispa y la turbina que lo hace girar. A continuación, encontrará el chorro de vapor que hace girar la turbina y, finalmente, el haz de uranio radioactivo que calienta el agua en vapor. Bienvenido al núcleo del reactor nuclear.

El agua en el reactor también sirve como refrigerante para el material radioactivo, evitando que se sobrecaliente y se derrita. En marzo de 2011, los televidentes de todo el mundo supieron lo que ocurre cuando el sistema de refrigeración sufre una falla catastrófica. Los ciudadanos japoneses huyeron a decenas de miles de personas del área que rodea la instalación nuclear de Fukushima-Daiichi después del terremoto más poderoso registrado y el tsunami resultante causó graves daños a la planta y varias de sus unidades de reactores. Entre otros eventos, el agua se drenó del núcleo del reactor, lo que a su vez hizo imposible controlar las temperaturas del núcleo. Esto resultó en un sobrecalentamiento y una fusión nuclear parcial [fuente: NPR].

A partir de abril de 2018, hay cerca de 450 reactores de energía nuclear en operación en 50 países, y proporcionan aproximadamente el 11 por ciento de la electricidad del mundo, según la Asociación Nuclear Mundial. Solo en los EE. UU., Hay 99 reactores en 61 centrales nucleares que operan comercialmente dentro de los 30 estados de EE. UU., Incluida la Unidad 2 de la Barra de Watts de Tennessee, un reactor con capacidad de 1,150 megavatios que comenzó a funcionar comercialmente en octubre de 2016 [fuente: EIA].

La energía nuclear suministra el 20 por ciento de las necesidades de electricidad de EE. UU., Menos del 31.7 por ciento que proviene del gas natural y el 30.1 por ciento del carbón, y solo un poco más del 17.1 por ciento provisto por energías renovables como la energía hidroeléctrica, eólica y solar [fuente: EIA]. Pero algunos países dependen más del átomo. Francia, por ejemplo, obtiene el 72 por ciento de su electricidad de las plantas nucleares, y Suecia obtiene alrededor del 40 por ciento de ellas, según un informe de abril de 2018 [fuente: World-Nuclear.org].

En este artículo, veremos cómo funciona un reactor nuclear dentro de una planta de energía, así como la reacción atómica que libera todo ese calor crucial.

Fisión nuclear: el corazón del reactor

A pesar de toda la energía cósmica que invoca la palabra "nuclear", las centrales eléctricas que dependen de la energía atómica no operan de manera diferente a una central eléctrica de combustión de carbón típica. Ambos calientan el agua en vapor presurizado, que acciona un generador de turbina. La diferencia clave entre las dos plantas es el método de calentar el agua [fuente: Mnsu.edu].

Mientras que las plantas que funcionan con carbón queman combustibles fósiles, las plantas que funcionan con energía nuclear dependen del calor que se produce durante Fisión nuclear, cuando un átomo se divide en dos y libera energía. La fisión nuclear ocurre naturalmente todos los días. UranioPor ejemplo, constantemente sufre una fisión espontánea a un ritmo muy lento. Es por esto que el elemento emite radiación, y por eso es una opción natural para el fisión inducida que las centrales nucleares requieren [fuente: World-nuclear.org].

El uranio es un elemento común en la Tierra y ha existido desde que se formó el planeta. Si bien hay varias variedades de uranio, uranio-235 (U-235) es el más importante para la producción de energía nuclear y bombas nucleares.

El U-235 decae naturalmente por radiación alfa: arroja una partícula alfa, o dos neutrones y dos protones unidos entre sí. También es uno de los pocos elementos que pueden sufrir una fisión inducida. Dispara un neutrón libre en un núcleo U-235 y el núcleo absorberá el neutrón, se volverá inestable y se dividirá de inmediato.

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La animación anterior muestra un núcleo de uranio-235 con un neutrón que se aproxima desde la parte superior. Tan pronto como el núcleo captura el neutrón, se divide en dos átomos más ligeros y arroja dos o tres neutrones nuevos (el número de neutrones expulsados ​​depende de cómo se divide el átomo U-235). El proceso de captura del neutrón y la división ocurre muy rápidamente.

La descomposición de un solo átomo U-235 libera aproximadamente 200 MeV (millones de voltios de electrones). Puede que no parezca mucho, pero hay muchos átomos de uranio en una libra (0,45 kilogramos) de uranio [fuente: World-nuclear.org]

La división de un átomo libera calor y radiación gamma, o radiación hecha de fotones de alta energía. Los dos átomos que resultan de la fisión de liberación posterior. radiación beta (electrones súper rápidos) y su propia radiación gamma, también [fuente: World-nuclear.org].

Pero para que todo esto funcione, los científicos primero deben enriquecer una muestra de uranio para que contenga de 2 a 3 por ciento más de U-235 [fuente: World-nuclear.org]. El tres por ciento de enriquecimiento es suficiente para las plantas de energía nuclear, pero el uranio apto para armas está compuesto de al menos un 90 por ciento de U-235. El proceso de enriquecimiento de uranio se realiza a través de una centrifugadora una vez que se ha creado un gas a partir del uranio. La fuerza de la centrifugadora separa los átomos U-235 de los átomos U-238.Al principio, solo hay un ligero aumento en la concentración de átomos de U-235, por lo que el proceso debe repetirse varias veces en la centrífuga para aumentar el enriquecimiento. Hacer uranio de calidad para armas es muy difícil y costoso, razón por la cual pocos países tienen armas nucleares. Pero estas barreras no son insuperables [fuente: Zielinski].

¿Qué pasa con el plutonio?

El uranio-235 no es el único combustible posible para una planta de energía. Otro material fisionable, Plutonio-239 se crea mediante el bombardeo del U-238 con neutrones [fuente: World-nuclear.org].

Dentro de una central nuclear

Este diagrama muestra todas las partes de un reactor nuclear.

Este diagrama muestra todas las partes de un reactor nuclear.

Para convertir la fisión nuclear en energía eléctrica, los operadores de centrales nucleares tienen que controlar la energía liberada por el uranio enriquecido y permitirle calentar el agua en vapor. Ese vapor impulsa las turbinas para generar electricidad [fuente: NEI].

El uranio enriquecido típicamente se forma en gránulos de 1 pulgada de largo (2.5 centímetros de largo), cada uno con aproximadamente el mismo diámetro que una moneda de diez centavos. A continuación, los pellets se organizan en largos varillas, y las varillas se juntan en manojos. Los haces se sumergen en agua dentro de un recipiente a presión. El agua actúa como refrigerante. Dejados a su suerte, el uranio eventualmente se recalentaría y se derretiría.

Para evitar el sobrecalentamiento, barras de control hechos de un material que absorbe los neutrones se insertan en el haz de uranio mediante un mecanismo que puede subirlos o bajarlos. Al levantar y bajar las barras de control, los operadores pueden controlar la velocidad de la reacción nuclear. Cuando un operador desea que el núcleo de uranio produzca más calor, las barras de control se levantan del haz de uranio (absorbiendo así menos neutrones). Para reducir el calor, se introducen en el haz de uranio. Las barras también se pueden bajar completamente en el paquete de uranio para apagar el reactor en caso de un accidente o para cambiar el combustible [fuentes: Nosowitz, World-nuclear.org].

El haz de uranio actúa como una fuente de calor de energía extremadamente alta. Calienta el agua y la convierte en vapor. El vapor impulsa una turbina, que hace girar un generador para producir energía. Los seres humanos han estado aprovechando la expansión del agua en vapor durante cientos de años.

En algunas centrales nucleares, el vapor del reactor pasa a través de un intercambiador de calor secundario e intermedio para convertir otro circuito de agua en vapor, que impulsa la turbina. La ventaja de este diseño es que el agua / vapor radiactivo nunca entra en contacto con la turbina. Además, en algunos reactores, el fluido refrigerante en contacto con el núcleo del reactor es gas (dióxido de carbono) o metal líquido (sodio, potasio); estos tipos de reactores permiten que el núcleo funcione a temperaturas más altas [fuente: World-nuclear.org]

Dados todos los elementos radioactivos dentro de una planta de energía nuclear, no debería sorprender que haya un poco más en el exterior de una planta de lo que encontraría en una planta de energía de carbón. En la siguiente sección, exploraremos las diversas barreras de protección entre usted y el corazón atómico de la planta.

Fuera de una central nuclear

Como puede ver al observar esta fotografía de la planta nuclear de Brokdorf en Alemania, el concreto juega un papel importante en la contención de materiales radiactivos.

Como puede ver al observar esta fotografía de la planta nuclear de Brokdorf en Alemania, el concreto juega un papel importante en la contención de materiales radiactivos.

Una vez que se pasa el reactor en sí, hay muy poca diferencia entre una planta de energía nuclear y una planta de energía a base de carbón o de petróleo, a excepción de la fuente de calor utilizada para generar vapor. Pero como esa fuente puede emitir niveles dañinos de radiación, se requieren precauciones adicionales.

Un revestimiento de hormigón suele alojar el recipiente a presión del reactor y actúa como un escudo de radiación. Ese revestimiento, a su vez, se encuentra dentro de un recipiente de contención de acero mucho más grande. Este recipiente contiene el núcleo del reactor, así como el equipo que los trabajadores de la planta utilizan para repostar y mantener el reactor. El recipiente de contención de acero sirve como una barrera para evitar la fuga de gases o fluidos radiactivos de la planta [fuente: Nuclear-power.net].

Un edificio de concreto externo sirve como capa final, protegiendo el recipiente de contención de acero. Esta estructura de concreto está diseñada para ser lo suficientemente fuerte como para sobrevivir al tipo de daño masivo que podría resultar de terremotos o de un avión de pasajeros que se estrella [fuente: Wald].

Estas estructuras de contención secundaria son necesarias para evitar el escape de radiación / vapor radiactivo en caso de accidente. La ausencia de estructuras de contención secundarias en las centrales nucleares rusas permitió que el material radioactivo escapara en Chernóbil [fuente: Salisbury].

Los trabajadores en la sala de control de la planta de energía nuclear pueden monitorear el reactor nuclear y actuar si algo sale mal. Las instalaciones nucleares también suelen presentar perímetros de seguridad y personal adicional para ayudar a proteger los materiales sensibles.

Como usted probablemente sabe, la energía nuclear tiene su parte de críticos, así como sus partidarios. En la página siguiente, echaremos un vistazo rápido a algunos de los pros y los contras de dividir un átomo para que todos los televisores y tostadoras funcionen.

Pros y contras de la energía nuclear

Esta instalación de almacenamiento cerca del sitio de la central nuclear de Chernobyl alberga actualmente residuos nucleares.

Esta instalación de almacenamiento cerca del sitio de la central nuclear de Chernobyl alberga actualmente residuos nucleares.

¿Cuál es la mayor ventaja de la energía nuclear? No depende de los combustibles fósiles y no se ve afectado por la fluctuación de los precios del petróleo y el gas. Las centrales eléctricas de carbón y gas natural emiten dióxido de carbono a la atmósfera, lo que contribuye al cambio climático. Con las centrales nucleares, las emisiones de CO2 son mínimas, aunque la extracción de uranio, la construcción de reactores, el transporte de combustible y otras partes de la energía nuclear generan gases de efecto invernadero [fuente: Lenzen].

Según el Instituto de Energía Nuclear, la energía producida por las plantas nucleares del mundo normalmente generaría 2.200 millones de toneladas (2.000 millones de toneladas métricas) de CO2 por año si dependieran de los combustibles fósiles. De hecho, una planta de energía nuclear que funcione adecuadamente en realidad libera menos radioactividad a la atmósfera que una planta de energía que funciona con carbón. Esto se debe a que cuando se quema carbón para generar electricidad, se liberan cenizas volantes (que contienen cantidades muy concentradas de uranio y torio). Esta ceniza volante tiene 100 veces más radioactividad que la radioactividad liberada por una planta de energía nuclear que produce la misma cantidad de energía [fuente: Hvistendahl]. Además, la energía nuclear viene con un requerimiento de combustible mucho más ligero. La fisión nuclear produce aproximadamente un millón de veces más energía por unidad de peso que el combustible fósil [fuente: Helman].

Pero también hay muchos aspectos negativos. Históricamente, la extracción y purificación de uranio no ha sido un proceso muy limpio. Incluso el transporte de combustible nuclear hacia y desde las plantas representa un riesgo de contaminación. Y una vez que se gasta el combustible, no puedes tirarlo al basurero de la ciudad. Todavía es radioactivo y la exposición a este desperdicio puede causar enfermedad por radiación, cáncer o incluso la muerte, dependiendo de la cantidad de radiación que absorba [fuente: Rettner]. Según la Oficina de Responsabilidad del Gobierno de EE. UU., Los EE. UU. Acumularon 88.185 toneladas (80.000 toneladas métricas) de desechos nucleares generados por centrales eléctricas, la mayoría de las cuales aún se encontraban almacenadas en sitios de la empresa, mientras el gobierno federal se esfuerza por encontrar una mejor solución.

Y como si esto no fuera lo suficientemente malo, las plantas de energía nuclear producen una gran cantidad de residuos radiactivos de bajo nivel en forma de cubiertas para zapatos, trapos de limpieza, equipos y otros materiales [fuente: NRC].

Catástrofe nuclear y cierre del reactor

Un vistazo a las consecuencias del terremoto más grande de la historia y el posterior tsunami que desgarró a Japón y llevó a su catástrofe nuclear.

Un vistazo a las consecuencias del terremoto más grande de la historia y el posterior tsunami que desgarró a Japón y llevó a su catástrofe nuclear.

Recuerde, en el corazón de cada reactor nuclear hay un ambiente controlado de radioactividad y fisión inducida. Cuando este entorno se sale de control, los resultados pueden ser catastróficos.

Durante muchos años, el desastre de Chernobyl fue el principal ejemplo de mal funcionamiento nuclear en el peor de los casos. En 1986, el reactor nuclear ucraniano explotó, arrojando 50 toneladas (45 toneladas métricas) de material radioactivo al área circundante, contaminando millones de acres de bosque. El desastre obligó a la reubicación de 150,000 personas, y eventualmente causó que miles murieran de cáncer y otras enfermedades [fuente: History.com].

Chernobyl fue mal diseñado y operado incorrectamente. La planta requería atención humana constante para evitar que el reactor funcionara mal. Sin embargo, incluso una planta de energía nuclear bien diseñada es susceptible a un desastre natural.

El viernes 11 de marzo de 2011, Japón experimentó el terremoto más grande de la historia moderna. Una respuesta programada en la instalación nuclear de Fukushima-Daiichi del país descendió de inmediato en todas las barras de control del reactor, apagando todas las reacciones de fisión en 10 minutos. Desafortunadamente, sin embargo, no se puede apagar toda la radioactividad con solo tocar un interruptor.

Como exploramos en la página anterior, los desechos nucleares continúan generando calor años después de su ejecución inicial en una planta de energía. De manera similar, dentro de las primeras horas después de que un reactor nuclear se apaga, continúa generando calor a partir del proceso de descomposición.

El terremoto de marzo de 2011 manifestó un tsunami mortal, que destruyó los generadores diesel de respaldo que accionaban las bombas de refrigerante de agua a las que se había dirigido la instalación después de que no pudo obtener energía de la red de Japón. Estas bombas hacen circular agua a través del reactor para eliminar el calor de descomposición. Sin circular, tanto la temperatura del agua como la presión del agua dentro del reactor continuaron aumentando. Además, la radiación del reactor comenzó a dividir el agua en oxígeno e hidrógeno volátil. Las explosiones de hidrógeno resultantes rompieron los paneles de contención de acero del edificio del reactor [fuente: World-Nuclear.org].

En pocas palabras, las instalaciones de Fukushima-Daiichi tenían muchas medidas para poner fin a las operaciones en caso de una actividad sísmica severa. Simplemente no contaban con perder la potencia de sus bombas de refrigerante.

Las plantas como la instalación japonesa de Fukushima-Daiichi, la rusa Chernóbil y la isla de las Tres Millas de los Estados Unidos siguen siendo un ojo negro para la industria de la energía nuclear, a menudo superando algunas de las ventajas ambientales que ofrece la tecnología.

Última actualización editorial el 31 de agosto de 2018 02:50:19 pm.


Suplemento De Vídeo: Energia Nuclear como se genera.




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