Centrales nucleares resumen, Lecture notes of Kinetics of Phase Transformations

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TRABAJO ESCRITO

CENTRALES NUCLEARES

NICOLAS ANDRES MELO RIVEROS

COD. 20132005106

LESLY PAOLA ORTIZ GONZALEZ

COD.

FABIAN MAURICIO CHACON

COD. 20132005040

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

TRANSFORMADORES

INGENIERÍA ELECTRÓNICA

10 DE NOVIEMBRE DE 2015, BOGOTÁ D.C

CONTENIDO

INTRODUCCION…………………………………………………………………… ……………………………..pág. 3

OBJETIVOS………………………………………………………………………… …………..……………….… pág. 3

3. CONCEPTOS

BASICOS…………………………………………………………………………………

.……. pág. 3

4. ¿QUE ES UNA CENTRAL NUCLEAR?........................................................................

pág. 4

Las centrales nucleares han contribuido a asegurar el suministro de electricidad, a contener los costos de generación eléctrica y a evitar la emisión anual de 50 millones de toneladas de dióxido de carbono. Respecto a este último punto, hay que recordar que el incremento de las emisiones de CO2 en muchos países han triplica el máximo permitido. La energía nuclear es la energía proveniente de reacciones nucleares o de la desintegración de los núcleos de algunos átomos, procede de la liberación de la energía almacenada en el núcleo liberada de los mismos. Una central nuclear es una central termoeléctrica, es decir, una instalación que aprovecha una fuente de calor para convertir en vapor a alta temperatura un líquido que circula por un conjunto de ductos y que utiliza dicho vapor para accionar una turbina produciendo así energía eléctrica.

2. OBJETIVOS

• (^) Aprender sobre el funcionamiento de las centrales nucleares.
• Conocer las ventajas y desventajas del uso de la energía nuclear.
• Reconocer los elementos necesarios para la generación de energía nuclear.
• Verificar la factibilidad que tiene una planta nuclear y que impacto causa al ambiente.

3. CONCEPTOS BASICOS

Uranio: Elemento químico de número ató mico 92, masa atómica 238,03 y sím bolo U; es un metal radiactivo sólido, de colo r blanco, dúctil y maleable, muy duro y den so, que no existe en estado libre en la natu raleza, sino que se encuentra como óxido o sal compleja en ciertos minerales.

El uranio es 500 veces más abu ndante que el oro y no tiene otro uso. Con la tecnología actual, se calcula que, al ritmo actual de consumo, hay reservas de este mineral para unos 80 años, pero gracias al desarrollo tecnológico, la

construcción de reactores más avanzados o el reciclado del combustible gastado para su uso en otras centrales nucleares podrían ser prácticamente ilimitado, del orden de varios milenios.

Otra ventaja del uranio como combustible nuclear es que no tiene otro uso y los reactores nucleares necesitan muy poca cantidad del mismo para producir mucha energía. Una pastilla de uranio de tan solo 5 gramos de peso, produce la misma electricidad que 810 kilos de carbón, 565 litros de petróleo o 480 metros cúbicos de gas natural.

Radiación: Es la emisión o propagación de energía en forma de ondas o de partículas subatómicas como, por ejemplo, las ondas electromagnéticas emitidas por el Sol o las partículas emitidas por sustancias radioactivas. La radioactividad es una propiedad interna de los átomos, por eso está muy relacionada con el estudio de la estructura de la materia.

■ Emisiones radioactivas: Cuando se produce alguna transformación en los núcleos atómicos se emiten partículas y radiaciones electromagnéticas de elevada frecuencia. Hay elementos que pueden producir este fenómeno de manera natural y hay otros de los cuales se pueden obtener isótopos radioactivos de forma artificial.

• La fisión nuclear: Consiste en la división del núcleo de un átomo pesado (como puede ser el uranio) en otros elementos más ligeros, de forma que en esta reacción se genere una gran cantidad de energía. Esta división es provocada por el choque del átomo con un neutrón. El proceso de fisión es posible a causa de la inestabilidad que tienen los núcleos de algunos elementos químicos de elevado número atómico. En estas condiciones solo hace falta una pequeña cantidad de energía para provocar que el núcleo se rompa en dos trozos.

4. ¿QUE ES UNA CENTRAL NUCLEAR? Una central nuclear es una instalación para la obtención de energía eléctrica utilizando energía nuclear. Su funcionamiento es similar al de una central térmica, la diferencia está en que la fuente de energía de una central nuclear proviene por las reacciones nucleares de fisión en el combustible nuclear formado por un compuesto de uranio mientras que en una central térmica la fuente de calor (energía térmica) proviene de la combustión de uno o más combustibles como carbón, gas natural, fuel, entre otros.

• Generadores de vapor
• Barras de control
• Combustible
• Vasija del reactor
• Bomba y bomba de recirculación
• Bomba y bomba de recirculación
• Agua de refrigeración
• Fuente de agua fría
• Depósito de agua fría
• Vapor de agua
• Transformador
• Alternador
• Turbina
• Condensador
• Torre de refrigeración
• Tuberías de vapor

• Edificio de contención

6. FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL NUCLEAR

Las centrales nucleares son las instalaciones encargadas de transformar energía nuclear en energía eléctrica. Las centrales nucleares utilizan la fisión como método para la generación de energía, ya que la fusión nuclear aun no es posible.

La fusión nuclear es el proceso en el cual se unen dos núcleos ligeros para crear uno más pesado. Este proceso desprende energía porque el peso del núcleo pesado es menor que la suma de los pesos de los núcleos más ligeros. No todas las reacciones de fusión producen la misma energía, depende siempre de los núcleos que se unen. La reacción más fácil de conseguir es la de deuterio (un protón y un neutrón) y tritio (un protón y dos neutrones) para formar helio (dos neutrones y dos protones) y un neutrón, liberando una energía de 17,6 MeV. 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.

El Uranio se encuentra en la naturaleza, en forma natural. Australia es el país con más reservas de uranio en el mundo, seguido de Kazajistán, Rusia y Canadá. Está compuesto por tres isotopos, el U-234 que conforma el 0.005% el U-238 que conforma el 99.285%, este isotopo no sirve para generar energía ya que es un átomo estable, y por último el U-235 que conforma el 0.71%, este es el isotopo utilizado para la generación de energía nuclear.

La central nuclear se compone de: ■ Edificio de contención: Es una estructura de hormigón armado. Sus paredes interiores están recubiertas de acero que asegura su hermeticidad. Es la silueta característica de una central nuclear donde se encuentra el reactor.

■ Edificio de máquinas o de turbinas: Recinto donde se encuentran los elementos de producción de electricidad.

■ Torre de refrigeración: Para refrigerar el condensador, se emplea una corriente de agua fría del mar, de un lago o algún rio. Si el caudal es insuficiente, es necesario instalar torres de refrigeración de las que sale agua de vapor.

El reactor: Un reactor nuclear es una instalación capaz de iniciar, controlar y mantener las reacciones nucleares en cadena que se produzcan en el núcleo de esta instalación. Un reactor nuclear está formado por los siguientes componentes:

■ Blindaje: Cuando el reactor está en operación, se genera una gran cantidad de radiación. Es necesaria una protección para aislar a los trabajadores de la instalación, para ello se coloca un blindaje formado por hormigón, agua y plomo.

Generador de vapor: Una vez el refrigerante ha absorbido toda la energía nuclear es llevada a un generador de vapor, el cual se encarga de transportar el vapor a las turbinas, y el agua sobrante la retorna al reactor. Turbinas: El vapor a presión es trasladado por unos tubos hasta llegar a las turbinas. Las turbinas comienzan a girar, estas están conectadas a un generador encargado de producir energía eléctrica. Generador: El generador transforma el movimiento de las turbinas en energía eléctrica, y esta energía eléctrica es llevada hacia el transformador. Condensador: El vapor que pasa por las turbinas es enfriado en el condensador y es enviado una vez más al reactor para que se repita el proceso. El condensador es el encargado de enfriar el refrigerante para poder volver a ser usado. Torre de refrigeración: La torre de refrigeración es la encargada de suministrar agua al condensador, esta recibe agua de alguna fuente hídrica cercana.

7. TIPOS DE REACTORES NUCLEARES

Los reactores nucleares se clasifican, de acuerdo con la velocidad de los neutrones que producen las reacciones de fisión, en reactores rápidos y reactores térmicos. A su vez, los reactores térmicos se clasifican, de acuerdo con el tipo de moderador empleado, en: reactores de agua ligera, reactores de agua pesada y reactores de grafito. Con cada uno de estos reactores está asociado generalmente el tipo de combustible usado, así como el refrigerante empleado.

Los reactores térmicos más empleados en las centrales nucleoeléctricas son:

Reactor de Agua en Ebullición (BWR) Ha sido desarrollado principalmente en Estados Unidos, Suecia y Alemania. Utiliza agua natural purificada como moderador y refrigerante. Como combustible dispone de Uranio-238 enriquecido con Uranio-235, el cual como se sabe, facilita la generación de fisiones nucleares. El calor generado por la reacciones en cadena se utiliza para hacer hervir el agua. El vapor producido se introduce en una turbina que acciona un generador eléctrico. El vapor que sale de la turbina pasa por un condensador, donde es transformado nuevamente en agua líquida. Posteriormente vuelve al reactor al ser impulsada por un bomba adecuada.

1. Núcleo del reactor. 4. Presionador. 7. Alternador. 10. Agua de refrigeración.
2. Barras de control. 5. Vasija. 8. Bomba 11. Transformador.
3. Cambiador de calor (generador de vapor).
4. Turbina. 9. Condensador. 12. Recinto de contención de hormigón armado.
5. Contención primaria de acero.

Reactor de Agua a Presión (PWR) Es ampliamente utilizado en Estados Unidos, Alemania, Francia y Japón. El refrigerante es agua a gran presión. El moderador puede ser agua o bien grafito. Su combustible también es Uranio-238 enriquecido con Uranio-235. El reactor se basa en el principio de que el agua sometida a grandes presiones puede evaporarse sin llegar al punto de ebullición, es decir, a temperaturas mayores de 100 °C. El vapor se produce a unos 600 °C, el cual pasa a un intercambiador de calor donde es enfriado y condensado para volver en forma líquida al reactor. En el intercambio hay traspaso de calor a un circuito secundario de agua. El agua del circuito secundario, producto del calor, produce vapor, que se introduce en una turbina que acciona un generador eléctrico.

funcionamiento pero ya no había planes para construir más, y los que siguen en operación están bajo presión internacional para que se cierren.

Un RBMK emplea largos tubos verticales de presión (7 m) discurriendo a través de un moderador de neutrones de grafito, y es refrigerado por agua, a la que se permite entrar en ebullición en el núcleo a 290 °C, tanto como en un reactor de agua hirviendo (BWR). El combustible es óxido de uranio poco enriquecido en conjuntos de combustible de 3,5 m de largo. Dependiente en gran medida la regulación al grafito instalado, el exceso de ebullición simplemente reduce el enfriamiento y la absorción de neutrones sin inhibir la reacción de fisión, con lo que el reactor puede tener un elevado coeficiente de burbuja positivo, lo que hace posible que un problema de retroalimentación positiva pueda surgir como en el caso del accidente de Chernobyl, cuyo reactor era de este tipo.

Reactor refrigerado por gas

El diseño fue refinado de forma continuada, y muy pocas unidades son idénticas. Los primeros reactores tenían recipientes de acero presurizados, mientras que las últimas unidades (Oldbury y Wylfa) son de cemento reforzado; algunas tienen una forma cilíndrica, pero la mayoría de ellos son esféricos. La presión de trabajo oscila entre los 6,9 a 19,35 bar para los recipientes de presión de acero, y los dos diseños en cemento reforzado funcionan a 24,8 y 27 bar. Ninguna compañía de construcción británica en su momento era lo suficientemente grande para construir todas las plantas nucleares, por lo que su realización se llevó a cargo por diversos consorcios en competición, de tal modo que ello añadió diferencias entre las plantas.

El repostado del combustible sobre la marcha era una parte esencial económicamente del diseño, al maximizar la disponibilidad de la planta de energía por eliminación de los tiempos de parada en el repostaje. Esto fue

particularmente importante para Magnox ya que el combustible no enriquecido tiene un punto de ignición bajo, lo que requiere cambios de combustible más frecuentes que en la mayoría de los reactores de uranio enriquecido.

Reactores de neutrones rápidos: Un reactor de neutrones rápidos o simplemente reactor rápido es una categoría de reactor nuclear en la que la reacción en cadena de fisión es sostenida por los neutrones rápidos. Un reactor de ese tipo no necesita un moderador de neutrones, pero debe usar un combustible que sea relativamente rico en material fisible cuando se le compara a lo requerido por un reactor termal.

El reactor de neutrones rápidos puede reducir la radiotoxicidad total de los desechos nucleares, y reduce dramáticamente la vida de los desechos. 7 Ellos también pueden usar todo o casi todo el combustible en los desechos. Los neutrones rápidos tienen una ventaja en la transmutación de los desechos nucleares. Dado que no hay un moderador y los metales líquidos tienen una baja tasa y capacidad de moderación, la interacción principal de los neutrones con los refrigerantes de metal líquido es la reacción (n, gama). Hervir el refrigerante puede reducir la densidad y absorción del refrigerante, de tal manera que el reactor tiene un coeficiente de vacío positivo, lo que es peligroso y no deseable desde el punto de vista de la seguridad y de un accidente.

8. IMPACTO AMBIENTAL

• Accidente de Chebernobyl: El accidente de la central nuclear de Chebernobyl ocurrió el 26 de abril de 1986, a horas de la madrugada. Ha sido catalogado como el mayor desastre de energía nuclear de la historia. La explosión tuvo lugar en el cuarto bloque de la central nuclear, situado a solo 120 kilómetros de la capital de Ucrania-Kiev. En la época, la central nuclear de Chernóbil era una de las más grandes del mundo. De hecho, el accidente ocurrió debido que el reactor no tenía un sistema de seguridad actualizado, tenía un bajo nivel de automatización. En la noche del 26 de abril, había un experimento en marcha, que debería haber probado la gama inercial de la unidad turbo- generadora El sobrecalentamiento del combustible causó la destrucción de la superficie del generador.

A la 1:24 de la madrugada, se produjeron dos explosiones, se produjo un error en el proceso que pone en marcha el sistema de seguridad automático por tan solo dos segundos. Esto hubiera frenado el sobrecalentamiento del turbo generador. El vapor liberado por la primera explosión destruyó el techo de hormigón del reactor, que pesaba 1200 toneladas. La segunda explosión tuvo lugar solo entre dos y cinco segundos después de la primera. En el reactor entró el aire del exterior e hizo que el vapor de aguase mezclara con grafito fundido. Al accidente nuclear no lo siguió una explosión nuclear. Ambas explosiones fueron térmicas-normales. La radiactividad comenzó a emitirse fuera del cuarto reactor destruido e incendiado de la planta nuclear de Chernóbil, el cual contaminó el entorno tanto inmediato como más lejano.

Los bomberos que trabajaban en el accidente no conocían la causa del incendio y, por lo tanto, solo vertieron agua en las ruinas del reactor. Esto agravó la situación y varias explosiones más pequeñas tuvieron lugar, junto con una contaminación radiactiva aguda. Para evitar que la radiactividad se propagara con posterioridad en el medio ambiente, se llenó el reactor con cinco mil toneladas de boro, dolomita, arena, arcilla y compuesto de plomo - lanzados desde un helicóptero que volaba sobre el reactor. Estos materiales liberados extinguieron el incendio del grafito y absorbieron los aerosoles radiactivos. Dos semanas después de la ruptura, los órganos oficiales soviéticos decidieron conservar el bloque entero que había colapsado en la planta nuclear en un sarcófago especial - cuerpo de hormigón con su propio sistema de refrigeración

• Central nuclear de Fukushima I: Desde que el 11 de marzo de 2011 un terremoto y el posterior tsunami devastaran el complejo Fukushima I, provocando fusiones de núcleo en tres de los 6 reactores con los que cuenta la central, además de una fusión de núcleo parcial en un cuarto reactor, se han registrado innumerables fugas de partículas radioactivas en las aguas y en el subsuelo que rodean a la instalación. La planta, diseñada para resistir temblores de hasta 10 grados en la escala de Richter, sufrió graves daños tras la sacudida de 9 grados de intensidad y, especialmente, tras el tsunami originado por ella, que inutilizó sus sistemas de refrigeración.

Las principales centrales nucleares son:

• (^) Central nuclear de Kashiwazaki-Kariwa: La central nuclear de Kashiwazaki-Kariwa es una relativamente moderna planta de energía nuclear localizada en los pueblos de Kashiwazaki y Kariwa, en la prefectura de Niigata, Japón. Según su tasa de energía eléctrica neta, es la planta nuclear más grande del mundo, con una salida de 8.212 MW. Es capaz de proveer de electricidad a 16 millones de hogares, sobre un total de 47 millones de hogares existentes en Japón. Es la cuarta estación generadora de electricidad por tamaño del mundo, sólo superada por tres plantas hidroeléctricas.
• Central Nuclear Bruce. Canadá. La central nuclear Bruce, situada en Bruce County, en la provincia de Ontario, Canadá, es la segunda planta de energía nuclear más grande del mundo con una capacidad neta de 6.234 MW.
• Central Nuclear de Zaporizhia. Ucrania. La central nuclear de Zaporizhia, en Ucrania, es la mayor central nuclear de Europa y la tercera del mundo. La central está situada en la Ucrania central, en Enerhodar, cerca de la ciudad de Zaporizhia, en las orillas del embalse de Kajovka en el río Dniéper. Tiene seis reactores de agua presurizada VVER-1000 cada uno con un rango de potencia de 1.000 MW
• Central Nuclear de Hanul. Corea del Sur. 5.908 MW. Es la mayor planta de energía nuclear de Corea del Sur. Sus instalaciones cuentan actualmente con una capacidad bruta instalada de 6.189 MW y una capacidad neta de 5.908 MW
• Central Nuclear de Hanbit. Corea del Sur. 5.875 MW cuenta con una capacidad neta instalada de 5.875 MW y una capacidad bruta de 6.164 MW consta de seis reactores de agua a presión

10. CONCLUSIONES

• http://www.yosoynuclear.org/index.php? option=com_content&view=article&id=20:ique-es-una-central- nuclear&catid=11:divulgacion&Itemid=
• http://www.yosoynuclear.org/index.php? option=com_content&view=article&id=60:el-uranio-como-combustible- nuclear&catid=11:divulgacion&Itemid=
• http://www.greenpeace.org/espana/Global/espana/report/nuclear/los-peligros- de-los-reactores.pdf
• http://www.greenpeace.org/espana/Global/espana/report/nuclear/los-peligros- de-los-reactores.pdf
• http://energia-nuclear.net/reactor-nuclear/tipos-de-reactor-nuclear.html