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QUE ES UN REACTOR NUCLEAR
Reactores nucleares de fisión Un reactor nuclear de fisión es una instalación capaz de iniciar, mantener y controlar las reacciones de fisión en cadena, disponiendo de los medios adecuados para extraer el calor generado. Sus elementos principales son: Combustible. Formado por un material fisionable, generalmente compuesto de uranio en el que tienen lugar las reacciones de fisión. Es la fuente de generación de calor. Moderador. Hace disminuir la velocidad de los neutrones rápidos generados en la fisión, manteniendo la reacción. Se acostumbra a utilizar agua, agua pesada, helio, grafito o sodio metálico. Elementos de control. Permiten controlar en todo momento la población de neutrones y mantener estable el reactor. Refrigerante. Extrae el calor generado por el combustible. Generalmente se utilizan refrigerantes líquidos como el agua ligera, el agua pesada o gases como el anhídrido carbónico y el helio. Blindaje. Evita que les radiaciones y los neutrones del reactor se escapen al exterior. Por lo general, se utiliza hormigón, acero o plomo. Elementos de seguridad. Todas las centrales nucleares de fisión disponen de múltiples sistemas de seguridad para evitar que se libere radioactividad al exterior. Hay dos formas de diseñar un reactor nuclear: térmico o rápido. Retardando (moderando) los neutrones veloces o bien incrementando la proporción de átomos fisibles. Para la tarea de retardar los neutrones se emplea un moderador (agua ligera, agua pesada, grafito) y a los neutrones lentos resultantes se les denomina térmicos, de modo que los reactores basados en esta técnica se conocen como Reactores Térmicos , a diferencia de los que emplean neutrones rápidos (veloces), denominados Reactores Rápidos. A la hora de construir un reactor, es necesario tener una masa crítica de combustible, esto es, suficiente material fisible, en una óptima disposición del combustible y del resto de los materiales de núcleo, para mantener la reacción en cadena. La disposición de los absorbentes de neutrones y de las barras de control permite mantener la criticidad en operación y la subcriticidad en parada y puesta en marcha. Componentes del núcleo del reactor
El núcleo es la parte del reactor donde se produce y se mantiene la reacción nuclear en cadena. Su objetivo es calentar el agua del circuito primario. Se diseña para operar de forma segura y controlada, de modo que se maximice la cantidad de energía extraída del combustible. Cada componente del núcleo del reactor juega un papel importante en la generación de calor: Combustible El combustible de un reactor nuclear es un material fisionable en cantidades tales que se alcance la masa crítica, y colocado de tal forma que sea posible extraer rápidamente el calor que se produce en su interior debido a la reacción nuclear en cadena. Los combustibles empleados en las centrales nucleares están en forma sólida, aunque varían desde el dióxido de uranio cerámico ligeramente enriquecido, uranio en tubos de aleación de magnesio hasta dióxido de uranio enriquecido o natural en tubos de aleación de zirconio, todo depende del tipo de reactor. Barras de control Los haces de barras de control proporcionan un medio rápido para el control de la reacción nuclear, permitiendo efectuar cambios rápidos de potencia del reactor y su parada eventual en caso de emergencia. Están fabricadas con materiales absorbentes de neutrones (carburo de boro o aleaciones de plata, indio y cadmio, entre otros) y suelen tener las mismas dimensiones que los elementos de combustible. La reactividad del núcleo aumenta o disminuye subiendo o bajando las barras de control, es decir, modificando la presencia de material absorbente de neutrones contenido en ellas en el núcleo. Para que un reactor funcione durante un periodo de tiempo tiene que tener un exceso de reactividad, que es máximo con el combustible fresco y va disminuyendo con la vida del mismo hasta que se anula, momento en el que se hace la reacarga del combustible. En funcionamiento normal, un reactor nuclear tiene las barras de control total o parcialmente extraídas del núcleo, pero el diseño de las centrales nucleares es tal que ante un fallo en su sistema de seguridad o de control del reactor, siempre actúa en el sentido de seguridad de reactor introduciéndose totalmente todas las barras de control en el núcleo y llevando el reactor a parada segura en pocos segundos. En general, un elemento de combustible está constituido por una disposición cuadrangular de las varillas del combustible, aunque debe
grande para que los neutrones se reflejen en el núcleo con su velocidad original (dispersión inelástica). Blindaje Cuando el reactor esté en operación, se genera gran cantidad de radiación. Es necesaria una protección para aislar a los trabajadores de la instalación de las radiaciones ocasionadas por los productos de fisión. Por ello, se coloca un blindaje biológico alrededor del reactor para interceptar estas emisiones. Los materiales más usados para construir este blindaje son el hormigón, el agua y el plomo. Control de los reactores nucleares Para que un reactor nuclear funcione durante un periodo de tiempo tiene que tener un exceso de reactividad sobre el valor crítico, para compensar las pérdidas de neutrones que, por diversos fenómenos, tiende a reducirlos. El reactor tiene que funcionar en condiciones de criticidad, lo que significa que el exceso de reactividad que tiene que mantenerse en un valor cero. Para controlar la reactividad en los reactores nucleares de agua natural, se puede proceder de varias formas, que pueden actuar de forma simultánea y no. La introducción de absorbentes de neutrones en el núcleo por medio de barras de control, es un medio rápido y eficaz de control. En determinadas circunstancias, puede disolverse en el moderador, cuando éste es líquido, un absorbente de neutrones como el ácido bórico. El diseño de las centrales nucleares es tal que un fallo en los equipos de la instalación siempre actúa en el sentido de máxima seguridad del reactor, insertando todas las barras de control en el núcleo, compensando instantáneamente la reactividad del mismo y parándose el reactor. Otro tipo de control se realiza con materiales absorbentes o venenos combustibles que van desapareciendo por captura neutrónica. Es frecuente que vayan incorporados en algunos de los elementos combustibles. Tipos de reactores Los reactores nucleares se pueden clasificar siguiendo diferentes criterios. Uno de los criterios es el propósito por el cual se van a utilizar. En este sentido distinguimos los tipos de reactores nucleares utilizados para fines civiles, para fines militares o para fines de investigación. Los reactores nucleares civiles se utilizan la energía nuclear para generar energía para electricidad;
los reactores militares crean materiales que pueden usarse en armas nucleares como la bomba atómica; y los reactores nucleares de investigación que se utilizan para desarrollar armas o tecnología de producción de energía, para fines de desarrollo, para experimentación de física nuclear y para producir radioisótopos para medicina e investigación. Algunos reactores tienen un doble propósito, ya que se utilizan para la producción de energía civil y materiales militares. Los reactores nucleares de investigación utilizan los neutrones generados durante las reacciones de fisión nuclear para producir radioisótopos que van a ser utilizados en otras aplicaciones de la energía nuclear como puede ser la medicina nuclear o bien para realizar estudios en materiales. Existen otras clasificaciones de los tipos de reactor nuclear dependiendo del criterio utilizado. Entre los criterios más habituales se encuentran: Según el combustible nuclear utilizado encontramos los reactores nucleares de uranio natural y los reactores nucleares de uranio enriquecido. El combustible nuclear 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. Otros reactores utilizan óxidos mixtos de uranio y plutonio. Según la velocidad de los neutrones, es decir, de su energía cinética, producidas en las reacciones nucleares de fisión: se distinguen los reactores rápidos y los reactores térmicos. Según el moderador utilizado pueden ser reactores nucleares de agua pesada, de agua ligera o de grafito. Según el material utilizado como refrigerante: los materiales más habituales son un gas (helio o anhídrido carbónico) o agua (ligera o pesada). Algunas veces estos materiales, a la vez, también actúan como moderador de neutrones. También se puede utilizar vapor de agua, sales fundidas, aire, o metales líquidos como refrigerante. También se pueden distinguir los reactores nucleares por el tipo de reacción nuclear. La energía nuclear se puede obtener de dos formas: mediante reacciones de fisión nuclear o mediante reacciones de fusión nuclear. De todos modos, actualmente, la totalidad de los reactores nucleares en producción son reactores nucleares de fisión. El reactor de fusión nuclear, se encuentra en fase de desarrollo. En esta línea existe el proyecto ITER que es un reactor nuclear de fusión en Francia con
a alta presión a consecuencia de la cantidad de energía calorífica recibida en el intercambiador. El vapor se introduce en una turbina para convertir esta energía en energía mecánica y poder accionar un generador eléctrico. Reactor de agua en ebullición (BWR) El reactor de agua en ebullición (conocido por las siglas en inglés BWR), también se utiliza con frecuencia. Tecnológicamente ha sido desarrollado principalmente, en Estados Unidos, Suecia y la R.F. Alemana. En este tipo de reactor nuclear, el agua se utiliza como refrigerante y moderador. El combustible nuclear utilizado es uranio enriquecido en forma de óxido ya que facilita la generación de fisiones nucleares. La energía térmica generada por las reacciones de fisión nuclear 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 nuclear impulsada por una bomba adecuada. Reactor de uranio natural, gas y grafito (GCR) El reactor d uranio natural, gas y grafito es un tipo de reactor nuclear que utiliza uranio natural en forma de metal como combustible nuclear. El combustible se introduce en tubos de una aleación de magnesio llamado magnox. El moderador de neutrones utilizado es el grafito. El refrigerador térmico es gas, concretamente anhídrido carbónico. La tecnología de este tipo de reactor nuclear, ha sido desarrollada principalmente en Francia y Reino Unido. Reactor avanzado de gas (AGR) El reactor avanzado de gas (AGR) ha sido desarrollado en el Reino Unido a partir del reactor nuclear de uranio natural-grafito-gas. Las principales novedades son que el combustible nuclear, en forma de óxido de uranio enriquecido, está introducido en tubos de acero inoxidable y que la vasija, de hormigón pretensado, contiene los intercambiadores de calor en su interior. Reactor refrigerado por gas a temperatura elevada (HTGCR)
El reactor nuclear refrigerado por gas a temperatura elevada es una nueva evolución de los reactores nucleares refrigerados por gas. Este tipo de reactor nuclear está desarrollado en R.F. Alemana, Reino Unido y Estados Unidos. Las diferencias con respecto al reactor nuclear avanzado de gas (AGR) son principalmente tres: se sustituye el helio por el anhídrido carbónico como refrigerante, se utiliza combustible cerámico en vez de combustible metálico las temperaturas del gas con el que trabaja son mucho más elevadas. Reactor nuclear de agua pesada (HWR) El reactor nuclear de agua pesada es un tipo de reactor nuclear desarrollado principalmente en Canadá. El combustible utilizado para la obtención de energía nuclear es el uranio natural, en forma de óxido, que se introduce en tubos de circonio aleado. La principal característica del reactor de agua pesada es el uso de agua pesada como moderador y refrigerante. En su diseño más habitual, los tubos del combustible nuclear se introducen en una vasija que contiene el moderador. El refrigerante se mantiene a presión para mantener su estado líquido. El vapor se produce en unos cambiadores de calor por los que circula el agua ligera. Reactor reproductor rápido (FBR) Hay varios diseños de reactores FBR, siendo el ruso y el francés los que se encuentran más avanzados. La principal característica de los reactores rápidos es que no utilizan moderador de neutrones y que, por tanto, la mayoría de las fisiones nucleares se producen por neutrones rápidos. El núcleo de este tipo de reactor nuclear consta de una zona fisionable, rodeada de una zona fértil en la que el uranio natural se transforma en plutonio. También puede utilizarse el ciclo uranio 233-torio. El refrigerante es sodio líquido, el vapor se produce en intercambiadores de calor. Su nombre de “reproductor” se debe a que en la zona fértil se produce mayor cantidad de material fisionable que la que consume el reactor en su funcionamiento, es decir más combustible nuevo que el que se gasta. APLICACIONES DE LA ENERGIA NUCLEAR El principal uso de la energía nuclear és la producción de energía eléctrica. Las centrales nucleares son las encargadas de generar energía
Einstein, el presidente de EEUU inició lo que se llamaría Proyecto Manhatan para desarrollar la bomba atómica que se lanzaría posteriormente en Hiroshima y Nagasaky. Dependiendo del rol que tenga la tecnología nuclear en el arma se diferencian dos tipos de armas nucleares: Armas nucleares que utilizan la energía nuclear para explotar, como sería el caso de la bomba atómica. Aplicaciones que utilizan la tecnología nuclear para propulsarse. En esta segunda categoría se incluyen los cruceros, portaaviones, submarinos... Medicina nuclear Uno de cada tres pacientes que acuden a un hospital en un país industrializado, recibe los beneficios de algún tipo de procedimiento de medicina nuclear. Se emplean radiofármacos, técnicas como la radioterapia para el tratamiento de tumores malignos, la teleterapia para el tratamiento oncológico o la biología radiológica que permite esterilizar productos médicos. Aplicaciones en agricultura de la tecnología nuclear La aplicación de los isótopos a la agricultura ha permitido aumentar la producción agrícola de los países menos desarrollados. La tecnología nuclear resulta de gran utilidad en el control de plagas de insectos, en el máximo aprovechamiento de los recursos hídricos, en la mejora de las variedades de cultivo o en el establecimiento de las condiciones necesarias para optimizar la eficacia de los fertilizantes y el agua. Aplicación de la tecnología nuclear a la alimentación En cuanto a la alimentación, las técnicas nucleares juegan un papel fundamental en la conservación de alimentos. La aplicación de los isótopos permite aumentar considerablemente la conservación de los alimentos. En la actualidad, más de 35 países permiten la irradiación de algunos alimentos. Aplicaciones medioambientales de la tecnología nuclear La aplicación de isótopos permite determinar las cantidades exactas de las sustancias contaminantes y lugares en que se presentan así como sus causas.
Además, el tratamiento con haces de electrones permite reducir las consecuencias medioambientales y sanitarias del empleo a gran escala de combustibles fósiles, y contribuye de manera más efectiva que otras técnicas a resolver problemas como el efecto invernadero y la lluvia ácida. Otras aplicaciones de la tecnología nuclear Como la datación, que emplea las propiedades de fijación del carbono- a los huesos, maderas o residuos orgánicos, determinando su edad cronológica, y los usos en Geofísica y Geoquímica, que aprovechan la existencia de materiales radiactivos naturales para la fijación de las fechas de los depósitos de rocas, carbón o petróleo. Otras aplicaciones de la tecnología nuclear se producen en disciplinas como la hidrología, la minería o la industria espacial. ENERGIA NUCLEAR EN EL MUNDO La energía nuclear comenzó a desarrollarse durante la primera década de
- Inicialmente, el objetivo era crear y producir la bomba atómica. Posteriormente, tras la guerra fría, se iniciaron investigaciones sobre otros usos de la energía nuclear; la investigación se centró en el uso pacífico de la energía atómica. Actualmente, 30 países cuentan con plantas de energía nuclear para la generación de electricidad. En cualquier caso, el número de países que aprovechan la energía nuclear es mucho mayor ya que países como Dinamarca e Italia, que no tienen ninguna instalación atómica, obtienen alrededor del 10% de su electricidad a partir de energía atómica importada de otros países. Alrededor de 450 reactores de energía nuclear están funcionando en todo el mundo. Todos estos reactores juntos generan alrededor del 11% de la energía eléctrica consumida en el mundo. Sin embargo, actualmente se están construyendo 60 reactores más, lo que aumentaría la potencia generada a través de la energía nuclear en un 16%. En 2016, las centrales nucleares suministraron 2.477 TWh de electricidad, en comparación con 2.441 TWh en 2015. Qué países tienen plantas de energía nuclear? Los países en producción de energía nuclear son: Francia, China, Rusia, Corea del Sur, Canadá, Ucrania, Alemania, Reino Unido, Suecia, España, Bélgica, India, República Checa, Finlandia, Suiza, Japón, Brasil, Bulgaria, Hungría, Sudáfrica, Eslovaquia, México, Rumania, Argentina, Irán, Pakistán, Corea del Norte, Eslovenia, Países Bajos y Armenia.
Estados Unidos tiene 99 reactores de fisión nuclear operables, con una capacidad neta combinada de 99,6 GWe. En 2017, la energía nuclear generó el 20% de la electricidad del país. Se han construido cuatro reactores AP1000, pero dos de ellos se han detenido. Una de las razones de la pausa en las nuevas construcciones en los Estados Unidos ha sido la exitosa evolución de las estrategias de mantenimiento. ¿Cuántas plantas de energía nuclear hay en Canadá? Canadá tiene 19 reactores nucleares en funcionamiento, con una capacidad neta combinada de 13,5 GWe. En 2017, la energía nuclear generó el 15% de la electricidad del país. En la primera parte de 2016, el gobierno firmó los contratos necesarios para renovar y extender la vida útil de seis reactores en la central Bruce. El programa extenderá la vida operativa entre 30 y 35 años. ¿Cuántas centrales nucleares hay en México? México tiene dos reactores nucleares operables, con una capacidad neta combinada de 1.6 GWe. En 2017, la energía nuclear generó el 6% de la electricidad del país. Energía nuclear en América del Sur Argentina tiene tres reactores, con una capacidad neta combinada de 1, GWe (gigavatios de electricidad). En 2017, el país generó el 5% de su electricidad a partir de energía nuclear. Brasil tiene dos reactores, con una capacidad neta combinada de 1, GWe. En 2017, la energía nuclear generó el 3% de la electricidad del país. Plantas de energía nuclear en Europa occidental y central La lista de países que tienen reactores atómicos son:
Una política energética de 2015 tenía como objetivo reducir la participación de Francia en la generación nuclear al 50% para 2025. En noviembre de 2017, el gobierno francés pospuso este objetivo. Alemania está eliminando gradualmente la generación nuclear alrededor de 2022 como parte de su política Energiewende. Energiewende, ampliamente identificada como la política nacional de mitigación del cambio climático más ambiciosa, ha reducido significativamente las emisiones de dióxido de carbono. Suecia está cerrando algunos reactores más antiguos, pero ha realizado grandes inversiones en ampliaciones y mejoras de la vida útil. Plantas de energía nuclear en Europa del Este y Rusia
El gobierno de la India está comprometido a aumentar su capacidad de energía nuclear como parte de su programa de desarrollo de infraestructura masiva. En Japón, a principios de 2018, solo se habían vuelto a conectar cinco reactores, y 21 más en el proceso de reaprobación tras el accidente nuclear de Fukushima en 2011. En el pasado, el 30% de la electricidad del país provenía de la energía nuclear. Bangladesh inició la construcción del primero de los dos reactores VVER- 1200 previstos en 2017. Planea tener la primera unidad operativa en
- Actualmente, el país produce prácticamente toda su electricidad a partir de combustibles fósiles. Energía nuclear en África Sudáfrica tiene dos reactores nucleares en funcionamiento y es el único país africano que actualmente produce electricidad a partir de energía nuclear. En 2017, la energía nuclear generó el 7% de la electricidad del país. Irán tiene un solo reactor nuclear operable con una capacidad neta de 0, GWe. En 2017, la energía nuclear generó el 2% de la electricidad del país. Los Emiratos Árabes Unidos están construyendo cuatro reactores surcoreanos de 1450 MWe a un costo de más de $ 20 mil millones y están trabajando en estrecha colaboración con la Agencia Internacional de Energía Atómica y firmas internacionales con experiencia.
