Nicolás Stroili- Leg: S-5015/6 – Ing. Eléctrica – FCEIA - UNR Página 1

Energía Nuclear: Principios y Aplicaciones

Nicolás T. Stroili.

Introducción a la Ingeniería Eléctrica.

Escuela de Ingeniería Eléctrica; Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura.

Universidad Nacional de Rosario.

Rosario, Santa Fé (2000), Argentina.

1. Introducción: ¿Qué es la energía

nuclear?

La energía nuclear es la energía en el núcleo de un

átomo. Los átomos son las partículas más pequeñas

en que se puede dividir un material. En el núcleo

de cada átomo hay dos tipos de partículas

(neutrones y protones) que se mantienen unidas. La

energía nuclear es la energía que mantiene unidos

neutrones y protones.

La energía nuclear se puede utilizar para producir

electricidad. Pero primero la energía debe ser

liberada. Ésta energía se puede obtener de dos

formas: fusión nuclear y fisión nuclear. En la

fusión nuclear, la energía se libera cuando los

átomos se combinan o se fusionan entre sí para

formar un átomo más grande. Así es como el Sol

produce energía. En la fisión nuclear, los átomos se

separan para formar átomos más pequeños,

liberando energía. Las centrales nucleares utilizan

la fisión nuclear para producir electricidad.

En la foto se observa una central nuclear

generadora de electricidad.

A modo de explicación básica:

Cuando se produce una de estas dos reacciones

físicas (la fisión nuclear o la fusión nuclear) los

átomos experimentan una ligera pérdida de masa.

Esta masa que se pierde se convierte en una gran

cantidad de energía calorífica como descubrió el

Albert Einstein con su famosa ecuación E=mc2.

Aunque la producción de energía eléctrica es la

utilidad más habitual que se le da a la energía

nuclear, también se puede aplicar en muchos otros

sectores, como en aplicaciones médicas,

medioambientales o bélicas (ver caso Hiroshima de

la Segunda Guerra Mundial, una de las

aplicaciones de la energía nuclear más

devastadoras para la humanidad).

En Argentina, la entidad responsable de asesorar

sobre actividades nucleares es la CNEA: Comisión

Nacional de Energía Atómica. Es considerada una

de las 9 entidades académicas con mayor prestigio

a nivel mundial y líder en Latinoamérica.

2. Inicios Históricos de la Energía

Nuclear

El filósofo griego Demócrito de Abdera fue el

primero en dar una definición de átomo: la parte

más pequeña constituyente de la materia. Esto fue

en el siglo V a. de C. Átomo proviene del griego y

significa “no-divisible”. Aunque más tarde

aparecería el concepto de fisión nuclear que

precisamente se trata de obtener energía dividiendo

átomos.

Más tarde, en 1803, el químico británico John

Dalton afirmaba en su libro A New System of

Chemical Philosophy que los elementos se

formaban a partir de determinadas combinaciones

de átomos y que todos los átomos de un mismo

elemento eran idénticos.

En 1897, J. J.Thompson anunció el descubrimiento

de una partícula cargada negativamente a la que

llamó electrón. Fue capaz de deducir también la

relación entre la carga de una partícula (e) y su

masa (m). Los electrones son elementos que

cargados negativamente que van orbitando

alrededor de un núcleo.

En 1896, el físico francés Antoine-Henri Becquerel

comprobó que determinadas sustancias, como las

sales de uranio, producían radiaciones penetrantes

de origen desconocido. Este fenómeno fue

conocido como radioactividad.

El científico francés estaba trabajando en su

laboratorio y dejó descuidadamente unas sales de

uranio junto a unas placas fotográficas que

aparecieron posteriormente veladas. Después de

investigarlo se dio cuenta que el causante fueron

las placas era el uranio. Gracias a su

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descubrimiento Becquerel se convirtió en el

“padre de la energía nuclear”.

En la misma época, el matrimonio francés formado

por Pierre y Marie Curie descubrió otro elemento

de mayor actividad llamado polonio. Además,

descubrieron un segundo elemento al que llamaron

radio.

Los tres elementos nombrados (uranio, polonio y

radio) tomaran una gran importancia en el

desarrollo de la energía nuclear.

A partir de aquí se dieron una serie de

investigaciones científicas en el campo de la

energía atómica de gran importancia a nivel

mundial entre los que se encuentran:

Constante de Planck: el científico Max

Planck descubrió que la energía es emitida

en pequeñas porciones llamadas quantos.

Teoría de la Relatividad de Einstein: Su

conocida ecuación E=mc2 resultó ser

revolucionaria para los posteriores estudios

de física nuclear, aunque en aquellos

tiempos no se disponía de medios para

demostrarla experimentalmente.

Modelo atómico de Bohr: según el cual los

electrones estaban distribuidos en niveles

cuánticos, a cierta distancia del núcleo,

constituyendo la configuración electrónica

de los distintos elementos.

Descubrimiento del neutrón: en 1932,

Chadwick “midió” la masa de una nueva

partícula deduciendo que era similar a la

del protón pero con carga eléctricamente

neutra.

Radioactividad artificial: Frédèric Joliot e

Irene Curie infirieron que construyendo

elementos radiactivos mediante el

bombardeo con partículas alfa de algunos

elementos químicos, se podía lograr la

radioactividad, hasta entonces conocida

solo por su carácter natural.

Fisión nuclear: A finales de 1938, en los

umbrales de la Segunda Guerra Mundial,

un equipo de investigadores alemanes en el

Kaiser Wilhem Institut de Berlín, pudieron

deducir que al bombardear el uranio con

neutrones, éste capturaba un neutrón y se

escindía en dos fragmentos, emitiendo de

una gran cantidad de energía. Se había

descubierto la fisión nuclear.

3. Aspectos técnico-científicos de la

energía nuclear

3.1 Fisión Nuclear

Ya dijimos que la fisión nuclear es la división del

núcleo de un átomo.

El núcleo se convierte en diversos

fragmentos con una masa casi igual a la

mitad de la masa original más dos o

tres neutrones.

La suma de las masas de estos fragmentos

es menor que la masa original. Esta 'falta'

de masas (alrededor del 0,1 por ciento de la

masa original) se ha convertido en energía

según la ecuación de Einstein (E=mc2).

La fisión nuclear puede ocurrir cuando un

núcleo de un átomo pesado captura un

neutrón (fisión inducida), o puede ocurrir

espontáneamente debido a la inestabilidad

del isótopo (fisión espontánea).

3.2 Reacciones nucleares en cadena

Una reacción en cadena es un proceso mediante el

cual los neutrones que se han liberado en una

primera fisión nuclear producen una fisión

adicional en al menos un núcleo más. Este núcleo,

a su vez produce neutrones, y el proceso se repite.

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Aquí surge una primera distinción: las reacciones

en cadena pueden ser controladas o no

controladas. Según sea el tipo de reacción, variara la aplicación

para la cual se la utiliza.

Una reacción en cadena controlada es la utilizada

en las centrales atómicas para la generación de

vapor y posterior generación de electricidad. Este

control se realiza(a grandes rasgos) mediante la

introducción de barras de control formadas por un

material fuertemente absorbente como ser el boro o

cadmio. A modo de ilustración este seria el

proceso de una reacción controlada:

Por el contrario, una reacción en cadena no

controlada es, por ejemplo, la utilizada para armas

nucleares, la fisión se realiza en forma arbitraria y

caótica y la expansión no tiene control, de ahí el

daño irreparable que estas armas profieren.

Daremos especial atención a las reacciones en

cadena controladas, ya que son las utilizadas en la

generación de energía eléctrica y por lo tanto, es la

parte inherente a nuestro interés.

3.3 La reacción nuclear controlada Para controlar la reacción en cadena, por cada 2 o

3 neutrones liberados por la fisión, a solo uno se le

debe impactar en otro núcleo de uranio.

Si esta relación es menor a 1, la reacción se

detendrá y si es mayor a 1, la reacción aumentara

indefinidamente y tendremos una reacción no

controlada (una explosión nuclear).

Para realizar este control, se cuenta con materiales

de absorción de neutrones. La mayoría de los

reactores de fisión utilizan barras de cadmio o

boro.

Surge de la explicación el concepto de masa

crítica: la cantidad mínima de material fisionable

para que se mantenga una reacción nuclear en

cadena. Aunque en cada fisión nuclear se

producen entre dos y tres neutrones, no todos

neutrones están disponibles para continuar con la

reacción de fisión. Si los neutrones se pierden a un

ritmo más rápido de lo que se forman, la reacción

en cadena no será autosostenible y se detendrá.

La cantidad de masa crítica de un material

fisionable depende de varios factores: propiedades

físicas, propiedades nucleares, de su geometría y

de su pureza.

4. Funcionamiento de una central

nuclear

El principal uso que se le da a la energía atómica

es la generación de energía eléctrica.

Prácticamente, todas las centrales nucleares

utilizan la fisión nuclear, ya que la fusión nuclear

resulta inviable, a pesar de estar en desarrollo.

El funcionamiento de una central nuclear, es

similar al de una central de carbón, petróleo o gas

excepto en la forma de proporcionar calor al agua

para su posterior conversión a vapor. En las

centrales nucleares este calor se obtiene fisionando

átomos de uranio o uranio enriquecido según sea el

tipo de reactor.

A nivel mundial, el 90% de los reactores son de

agua ligera, en sus versiones de agua a presión o

agua en ebullición, de modo que centraremos

nuestra explicación en este tipo de reactor.

4.1 Funcionamiento de la central Básicamente, se basa en la obtención de energía

calorífica mediante la fisión nuclear del núcleo con

los átomos del combustible. Esta energía calorífica

se encuentra en el vapor de agua, que luego

transformaremos en energía mecánica mediante

una turbina, que gira por el paso del vapor de agua

y finalmente convertida en energía eléctrica

mediante un generador eléctrico, que funcionara

por la rotación axial de la turbina.

El reactor nuclear es el encargado de provocar y

controlar estas fisiones que generaran una gran

cantidad de calor, cuyo aplicación es la de

convertir agua en vapor a alta temperatura y

presión.

El agua transformada en vapor sale del edificio de

contención debido a la alta presión a que está

sometido hasta llegar a la turbina y hacerla girar.

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En este momento parte de la energía calorífica

del vapor se transforma en energía cinética. Esta turbina está conectada a un generador

eléctrico mediante el cual se transformará la

energía cinética en energía eléctrica.

El vapor salido de la turbina, aunque ha perdido

energía calorífica, sigue estando a una

temperatura elevada y en estado gaseoso, por lo

que es necesario refrigerarla para luego volver a

introducirla en el circuito. Por esto, luego de su

paso por la turbina, el vapor ingresa en un depósito

de condensación donde se enfría al estar en

contacto con tuberías de agua fría.

Luego mediante una bomba, ya el agua en estado

liquido, vuelve a ingresar al circuito para repetir el

ciclo. Por este motivo, la instalación de centrales

nucleares se realiza en zonas cercanas a fuentes

abundantes de agua (lago, rio, mar).(1)

La columna de humo blanco que se observa en la

fotografía superior, es debida al intercambio de

calor entre el vapor y el depósito de condensación.

4.2 Una clasificación de los reactores

nucleares

Hay diversos tipos de clasificación de los reactores

nucleares como ser: tipo de combustible utilizado,

velocidad de los neutrones, moderador utilizado,

etc.

Le daremos énfasis al primer tipo de clasificación:

según el tipo de combustible utilizado.

Según esta clasificación encontramos los reactores

nucleares de uranio natural y los reactores

nucleares de uranio enriquecido. El combustible

de uranio natural contiene la misma proporción de

uranio que se encuentra en la naturaleza, mientras

que en el combustible de uranio enriquecido esta

proporción se aumenta artificialmente.

Técnicamente, el uranio natural se lo conoce como

U-238 o uranio-238, que es el nombre del isotopo

de uranio que se presenta con mayor frecuencia y

cantidad en la naturaleza.

El uranio enriquecido se lo conoce como U-235,

que en la naturaleza es de una proporción

extremadamente baja, (una proporción en peso de

alrededor del 0,7 % de 235

U).

Existen diversos métodos en la industria nuclear

como la difusión gaseosa o térmica, el proceso de

gas centrifugado, separación electromagnética de

isotopos, métodos químicos, entre otros.

Resumidamente, estas son las etapas de la

obtención del combustible nuclear:

4.2.1 Principales reactores comerciales en

uso. Estas son las denominaciones de los reactores

comerciales utilizados en la actualidad), junto a su

número en el mundo (entre paréntesis) y sus

características principales:

PWR (VVER en ruso). (264). Uranio

enriquecido, moderador y refrigerante

agua ligera.

BWR. (94). Uranio enriquecido,

moderador y refrigerante agua ligera.

CANDU. (43). Uranio natural, moderador

y refrigerante agua pesada.

AGR. (18). Usa uranio enriquecido como

combustible, moderador grafito,

refrigerante CO2.

RBMK. (12). Uranio natural o

enriquecido, moderador grafito,

refrigerante agua ligera.

Otros. 4 reactores rusos que usan uranio

enriquecido, moderador grafito y

refrigerante agua ligera

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(1)Nota: Se anexa al final de esta monografía, un

diagrama del funcionamiento de una central nuclear

con un reactor de agua a presión (PWR, por sus siglas

en ingles)

5. Actividad nuclear en Argentina

Desde principios de la década del 50, con la fundación

de la CNEA (Comisión Nacional de Energía Atómica,

ubicada en Bariloche), Argentina comenzó a interesarse

por la energía nuclear.

En 1964 se comenzaron los estudios de viabilidad y

factibilidad de una instalación en la región de Buenos

Aires, operando en 300-500 MW de potencia. Así

surgió la central Atucha I en 1974 construida casi

íntegramente por la empresa Siemens, convirtiéndose en

la primer central atómica en Argentina (Foto).

Actualmente, Atucha I sigue en funcionamiento

habiendo generado en su vida útil 65.000 millones de

Kwh de energía eléctrica utilizando 1400 toneladas de

Uranio. Ademas, se cuenta con dos centrales eléctricas

mas:

Atucha II, de 745 MW eléctricos, de uranio

natural, como moderador utiliza agua pesada.

Embalse. La 2º central nuclear argentina. Es la

maquina térmica mas grande de Sudamérica,

con una potencia neta de 600 MW

eléctricos.(Foto).

6. Fuentes consultadas.

http://es.wikipedia.org/wiki/Uranio

http://es.wikipedia.org/wiki/Energía_nuclear

http://energia-nuclear.net/

http://www.cab.cnea.gov.ar/

http://es.wikipedia.org/wiki/Central_nuclear

http://www.na-sa.com.ar/centrales/atucha2

Nicolás Stroili- Leg: S-5015/6 – Ing. Eléctrica – FCEIA – UNR Anexos-1

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