Energía Nuclear

Energía nuclear

Vista general

Termodinámica tiene su en significado etimológico en el latín: el vocablo thermos que viene a definirse como “caliente”, el sustantivo dinamos que es equivalente a “fuerza” o a “poder”, y el sufijo –ico que puede determinarse que significa “relativo a”.

La termodinámica es la ciencia que estudia la conversión de unas formas de energía en otras. Trata de todas aquellas propiedades de las sustancias que guardan relación con el calor y el trabajo, analiza los efectos que poseen a nivel macroscópico las modificaciones de temperatura, presión, densidad, masa y volumen en cada sistema.

La base de la termodinámica es todo aquello que tiene relación con el paso de la energía, un fenómeno capaz de provocar movimiento en diversos cuerpos. La primera ley de la termodinámica, que se conoce como el principio de conservación de la energía, señala que, si un sistema hace un intercambio de calor con otro, su propia energía interna se transformará.

La segunda ley de la termodinámica supone distintas restricciones para las transferencias de energía que, en hipótesis, podrían llevarse a cabo si se tiene en cuenta la primera ley. El segundo principio sirve como regulador de la dirección en la que se llevan a cabo los procesos termodinámicos e impone la imposibilidad de que se desarrollen en sentido opuesto. Cabe destacar que esta segunda ley se respalda en la entropía, una magnitud física encargada de medir la cantidad energía inservible para generar trabajo.

La tercera ley contemplada por la termodinámica, por último, destaca que no es posible lograr una marca térmica que llegue al cero absoluto a través de una cantidad finita de procedimientos físicos.

Entre los procesos termodinámicos, se destacan los isotérmicos (no cambia la temperatura), los isócoricos (no cambia el volumen), los isobáricos (no cambia la presión) y los adiabáticos (no hay transferencia de calor).

A partir de todo lo anterior se han creados aplicación de la termodinámica de aparatos y ciclo que nos ayudan a transformar la energía en otras como energía térmica, eléctrica, solar, química, eólica, hidráulica, mecánica y nuclear.

Hoy en día hay que utilizar todas las fuentes de energía disponibles. En concreto, la nuclear es imprescindible porque produce electricidad de forma segura y fiable todos los días del año. Las centrales nucleares son las instalaciones encargadas de este proceso.

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El funcionamiento de una central nuclear es idéntico al de una central térmica que funcione con carbón, petróleo o gas excepto en la forma de proporcionar calor al agua para convertirla en vapor. En el caso de los reactores nucleares este calor se obtiene mediante las reacciones de fisión de los átomos del combustible.

El mayor beneficio ambiental de la generación de electricidad a través de centrales nucleares no utiliza combustibles fósiles, evitando la emisión a la atmósfera de los gases responsables del calentamiento global cada vez mayor y otros productos tóxicos. Las centrales nucleares ocupan áreas relativamente pequeñas, puede ser instalado cerca de los centros de consumo y no depende del clima (lluvia, viento, etc.) para su funcionamiento.

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Planteamiento

Desde el punto de vista termodinámico, el principio básico de funcionamiento de una central nuclear es análogo al de muchas otras centrales de producción de electricidad, incluyendo tanto las de combustibles fósiles (carbón, fuel, gas) o las novedosas centrales termosolares.

Los materiales radiactivos utilizados en las centrales nucleares se caracterizan por la inestabilidad se sus átomos. Sus núcleos se rompen (fisión) liberando mucha energía. Prácticamente todas las centrales en producción utilizan la fisión nuclear (división de núcleos atómicos pesados) ya que la fusión nuclear (unión de núcleos atómicos muy livianos) actualmente es inviable a pesar de estar en proceso de desarrollo.

Esta fisión puede realizarse de forma rápida, en una explosión nuclear, o de forma lenta y controlada.

En un reactor nuclear, se mantiene un combustible radiactivo fisionándose continuamente. Esto produce mucho calor, es decir energía calorífica. El combustible se refrigera con agua. Con esta energía se produce vapor de agua. El vapor se expansiona en una turbina, convirtiendo la energía calorífica en energía mecánica y finalmente, convertiremos la energía mecánica en energía eléctrica mediante un alternador o generador y en esta parte se aplica la segunda ley de la termodinámica que trata de las transformaciones de calor en trabajo y viceversa.

Las centrales nucleares están diseñadas de forma que no es posible que exploten, como lo hace una bomba, puesto que no hay suficiente combustible nuclear como para superar una masa crítica determinada. Pero si se produce un fallo total y el reactor queda sin refrigeración, las altas temperaturas que pueden alcanzarse derretirían el reactor.

Cuando una central llega al final de su vida útil, el recinto que contiene los residuos radiactivos suele cubrirse con hormigón.

Las centrales nucleares funcionan por diversos procesos termodinámicos para obtener como producto final una energía que cubra toda la necesidad de una sociedad. Como el ciclo Rankin y Brayton.

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Desarrollo

• Funcionamiento de de una central nuclear

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• El reactor nuclear

Un reactor nuclear es una instalación capaz de iniciar, controlar y mantener las reacciones nucleares (generalmente de fisión) en cadena que se produzcan en el núcleo de esta instalación.

La composición del reactor nuclear está formada por el combustible, el refrigerante, los elementos de control, los materiales estructurales y, en el caso de que se trate de un reactor nuclear térmico, el moderador.

Para regular la producción de energía térmica se insertan dentro del combustible nuclear barras de boro o cadmio, u otro material absorbente de neutrones; existen dos tipos de barras, las denominas de suplemento o control y las de seguridad; las primeras son las utilizadas para controlar la operación normal del reactor y las segundas son insertadas totalmente dentro del combustible nuclear en caso de emergencia o parada.

La disposición que tiene el reactor clásico es la siguiente:

En donde:

0.- Envolvente biológica: En general de cemento armado que envuelve y retiene el reactor nuclear y en algunos casos los intercambiadores de calor del circuito primario de refrigeración (Espesor entre 4,5 m a 7 m).

1.- Tanque del reactor: Lugar en donde se retiene el núcleo del reactor.

2.- Envolvente térmica cuya función es calentar el fluido refrigerante que pasa entre ella y el tanque del reactor.

3.- Dispositivo reflector cuya misión es reflejar el máximo de radiaciones que se escapan del núcleo hacia el mismo núcleo.

4.- Moderador.

5.- Barras de combustible.

6.- Barras de control.

7 y 8.- Entrada y salida del fluido caloportador refrigerante. (Gas ó líquido).

Las diferencias entre los diferentes tipos de centrales nucleares en operación se basan en el tipo de reactor nuclear que utilizan para producir energía. La forma en que se genera energía eléctrica a partir del vapor generado es similar en todas las centrales nucleares.

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Existen dos tecnologías diferentes en cuanto a la concepción del reactor nuclear, basadas sobre todo en el tipo de fluido refrigerante utilizado para la refrigeración del núcleo del reactor, así podemos diferenciar la tecnología europea, en donde se utiliza gas como fluido refrigerante en el circuito primario, y la tecnología americana, en donde se utiliza líquido como fluido refrigerante de dicho circuito.

1. Reactor enfriado por gas.

Ciclo simple de doble presión.

En general este tipo de reactor va enfriado por dióxido de carbono gaseoso, que fluye entre los cartuchos de uranio natural metálico, con una envolvente metálica denominada MAGNOX (aleación de magnesio), en donde se produce la reacción nuclear; el mayor problema que se tiene es que el gas CO2 tiene más baja temperatura que los gases calientes producidos en el hogar de una caldera convencional, por lo que , para que sean comerciales, se tiene que reducir drásticamente las irreversibilidades del intercambiador de calor entre el refrigerante CO2 que circula por el exterior de los tubos, y por donde circula el agua (interior de los tubos). Para remediar este problema, se procedió en las primeras centrales nucleares a montar un circuito de doble presión.

El trabajo de la turbina valdrá:

WT = mA (h6' − h4) + (mB + mA) (h4 − h7)

El calor absorbido del CO2, será:

Q1Total = Q1 + Q' 1 = mA (h6' − h3’) + mB (h4 − h2) + (mA + mB) (h2 − h1)

Y el calor cedido:

Q2 = (h7 − h8) (mA + mB)

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Por su parte el trabajo de las bombas será:

WB1 = (mA + mB) (h1 − h8)

WB2 = mA (h3' − h2)

El rendimiento térmico neto:

2. Reactor enfriado por un fluido

Ciclo de vapor

Representa un ciclo Rankine

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