funcionamiento básico de una central nuclear

1. El hombre descubrió así un nuevo y eficacísimo método para obtener energía (calor) del átomo. El nuevo proceso, denominado fisión nuclear, es enteramente distinto del que se emplea para obtener calor quemando carbón. En este último caso los átomos no varían en estructura atómica, pues sólo sufren los cambios químicos necesarios para formar los productos de combustión. En el caso de obtención de calor por fisión, cada átomo de uranio se escinde en dos nuevos átomos que difieren químicamente del átomo desintegrado.
   
   A efectos prácticos, sin embargo, la producción de calor por fisión nuclear puede compararse con la producción de calor por la reacción química que se produce al quemar carbón. En principio ambos procesos utilizan equipo similar: un recipiente que contenga el combustible, un procedimiento para regular la reacción y una caldera donde calentar el agua u otro medio utilizado para la transferencia térmica. En las figuras 1 y 2 el calor producido se destina a accionar una turbina. En ambos casos es preciso reponer el combustible consumido para mantener la reacción. La gran diferencia entre ambos procedimientos es la relación existente entre la energía térmica producida y la masa del combustible consumido.
   
   Cuando se quema 1 kg de carbón, los gases desprendidos y las cenizas residuales parecen pesar también 1 kg exacto. Pero si fuera posible utilizar una balanza supersensible, ésta registraría una pérdida de peso equivalente a la tercera parte de una milmillonésima (1/3000000000) de kilogramo. Esta disminución en el peso representa la parte de carbón transformada en energía térmica. En la fisión de 1 kg de uranio, la milésima parte (1/1000) de él se transforma en energía térmica. Esta fracción es 3000000 de veces superior a la que corresponde al carbón transformado en energía térmica, lo que equivale a decir que 1 kg de uranio produce tanto calor como 3000000 de kilogramos de carbón.
   
   
   Estructura atómica.
   
   
   El átomo está formado por tres partículas básicas: protones, neutrones y electrones. Estas partículas son extraordinariamente pequeñas. El protón y el neutrón tienen aproximadamente la misma masa y que ésta es unas 1836 veces superior a la del electrón. El protón tiene carga eléctrica positiva, el neutrón no tiene carga (es neutro) y el electrón tiene carga negativa. Protones y neutrones forman el núcleo (centro) del átomo. Número atómico de un elemento es el número de protones que contiene el núcleo de cualquiera de sus átomos (1 para el hidrógeno, 92 para el uranio). El número músico de un átomo o de un isótopo de un elemento es el número total de protones y neutrones que componen el núcleo (92 protones + 143 neutrones en el núcleo del uranio-235, 92 protones + 146 neutrones en el núcleo del uranio-238). Los electrones, iguales en número a los protones, circunvalan al núcleo de forma muy parecida a como la Tierra y los planetas giran en torno al Sol.
   
   La masa total de un átomo es inferior a la suma de las masas de las partículas básicas que lo componen. Esta diferencia en masa, variable para cada clase de átomos, equivale a la «energía de electrovalencia» que mantiene unidas a las partículas nucleares. Einstein demostró en 1905 la equivalencia de masa y energía. Véase Átomo; Energía atómica.
   
   
   Reacción de fisión en cadena.
   
   
   Un átomo de uranio-235 no experimenta fisión de ordinario a menos que capture un neutrón, pero, cuando esto sucede, las fuerzas nucleares pierden su condición de equilibrio y el número, ahora inestable, es sometido a una violenta vibración, semejante a la que se produce en una hélice desequilibrada. Como resultado el núcleo se escinde en otros dos más ligeros que salen disparados a la velocidad de unos 300 m/s. La energía cinética de estos dos fragmentos de fisión se transfiere en colisiones a otros átomos y se transforma en calor. La cantidad de energía impartida a los nuevos núcleos es aproximadamente igual a la diferencia entre la suma de sus masas y la masa del núcleo del uranio-235 más la del neutrón capturado. El núcleo de uranio, además de formar dos nuevos átomos, libera una intensa radiación gamma y dos o más neutrones. Estos neutrones de fisión son los encargados de mantener la reacción en cadena. La eficacia con que sean utilizados estos neutrones determinará cuánto uranio-235 necesita el reactor para sustentar la reacción en cadena. Los neutrones pueden escapar del núcleo del reactor sin haber sido capturados por un núcleo de uranio-235 o pueden ser capturados por materiales, empleados en la construcción del reactor, que no producen neutrones adicionales. Para producir un watio de potencia es precisó que se verifiquen 3 X 10^10 (un 3 seguido de 10 ceros) fisiones por segundo.
   
   
   Fuentes de combustible para el reactor nuclear.
   
   
   El uranio, el torio, el plutonio, son materias primas básicas que pueden utilizarse como materia fisionable en un reactor nuclear. No se presentan naturalmente puros, pues siempre aparece combinado con otros elementos en forma de mineral. Por ejemplo, se conocen más de cien minerales portadores de uranio. En algunos el uranio es el principal componente, en otros sólo representa una ínfima fracción del total. Entre los minerales de uranio destaca notablemente la pechblenda, con un contenido del 60 al 80 % de óxido de uranio.
   
   El uranio aparece en la Naturaleza constituido por tres isótopos o clases de átomos, cuyos números másicos son 238, 235 y 234. El uranio-238 es unas 140 veces más abundante que el uranio-235 y unas 17000 veces más abundante que el uranio-234.
   
   
   Descripción detallada del reactor nuclear.
   
   
   Los primeros reactores nucleares creados fueron de cuatro tipos: energéticos, autorregeneradores, de finalidad dual y de investigación. Los primeros utilizan la energía producida por el proceso de fisión para generar potencia útil. Los reactores autorregeneradores son los capaces de producir material fisionable, como uranio-235 o plutonio-239, a partir de material fértil (uranio-238 o torio-232) por medio de la captura, de neutrones y subsecuente desintegración radiactiva. Sólo merecen el calificativo de autorregeneradores los capaces de producir más material fisionable que el que consumen. Los de finalidad dual utilizan parte de su energía para producir potencia y parte para crear material fisionable. Reactores de investigación son los que tienen como misión principal suministrar neutrones y rayos X para el estudio de otros materiales, producir isótopos para fines experimentales y servir a la investigación en general.
   
   Para iniciar la reacción en cadena todos los reactores precisan de una cantidad mínima de combustible, denominada masa crítica. Para alcanzarla basta con reunir dos cargas de combustible tales que entre ambas sumen la masa crítica. Pero, una vez alcanzada ésta, el reactor comienza a producir energía no de manera constante, sino a velocidad acelerada. Aquí es donde intervienen las varillas de control que contienen materiales (cadmio, boro, hafnio) capaces de absorber neutrones. Su poder de absorción depende de la proximidad de las varillas al combustible. Cuando el reactor se encuentra en estado supercrítico, las varillas absorben el exceso de neutrones y le obligan a trabajar a energía constante. A medida que el exceso de combustible va experimentando fisión, se retiran las varillas para reducir el número de neutrones absorbido por ellas hasta que llega un momento en que es imposible alejar más las varillas del combustible. Entonces, para evitar que el reactor pase a estado subcrítico, se añade más uranio y se repite el proceso.
   
   El elemento utilizado para retrasar la velocidad de los neutrones se denomina moderador. Un neutrón que viaje a gran velocidad tiene muchas menos probabilidades de chocar con un núcleo (y por tanto de producir energía) que otro que se desplace lentamente. Cuando un neutrón choca con las moléculas del moderador sale rebotado, pero a velocidad inferior, lo que aumenta sus posibilidades de encontrarse con un núcleo. Los moderadores más utilizados son el agua pesada y el grafito. La fórmula del agua normal es H2O; la del agua pesada (óxido de deuterio), D2O. Es decir, una molécula de agua pesada contiene un átomo de oxígeno y dos de deuterio, isótopo del hidrógeno cuyo número de masa es 2. Aunque el agua corriente y la pesada son iguales en apariencia y comportamiento químico, ésta pesa aproximadamente un 10 % más que aquélla.
   
   
   Diseño general de una central atómica.
   
   Está constituida por cuatro sistemas principales:
   
   1. Sistema primario: reactor y sistema primario de refrigeración con sodio.
   
   2. Sistema secundario: sistema intermedio de termopermutación con sodio.
   
   3. Sistema de vapor: sistema termoeléctrico.
   
   4. Sistema de preparación del combustible: equipo para producción y regeneración del combustible.
   
   
   El sistema primario está contenido bajo una cubierta única (el llamado «tanque primario»). Todos sus componentes, que incluyen el reactor, las bombas y tuberías del sodio primario, el termopermutador y el sistema de almacenaje y trasiego del combustible, se encuentran en un baño de sales sódicas.
   
   El reactor consiste en un núcleo enriquecido de una aleación de uranio y plutonio, y su forma es, aproximadamente, la de un cilindro hueco totalmente rodeado por una capa autorregeneradora de uranio.
   
   El combustible y el material de autorregeneración van alojados en subagregados de sección transversa hexagonal, dispuestas verticalmente para formar un conjunto compacto. El refrigerante llega a la parte inferior de cada subsección, la atraviesa en sentido ascendente y sale del reactor para recorrer el termopermutador intermedio.
   
   El proceso de carga y descarga del reactor se verifica con las subgregadas totalmente sumergidos en baño de sodio. Este procedimiento de descarga se impone por las exigencias de refrigeración para detener la reacción en cadena del combustible. Las subgregadas pasan a los bastidores de almacenamiento sumergidos, donde continúa la refrigeración del combustible merced a la convección natural del sodio.
   
   El sistema de sodio secundario transfiere el calor del termopermutador al generador de vapor. Este sistema no radiactivo permite aislar el sodio radiactivo utilizado en el sistema primario del generador de vapor; aisla además al reactor del efecto moderador del agua. Emplea bombas y tuberías corrientes y es accesible a las labores de conservación y mantenimiento.
   
   El generador de vapor es un termopermutador de sodio a agua/vapor.
   
   Para más información ver: central nuclear.

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