Tema 3 LA ENERGÍA NUCLEAR

Presentación del tema: "Tema 3 LA ENERGÍA NUCLEAR"— Transcripción de la presentación:

1 Tema 3 LA ENERGÍA NUCLEAR
Tecnología Industrial I Dpto. de TECNOLOGÍA/IES H. LANZ

2 1. CONCEPTOS PREVIOS (I) VIDEO: La energía nuclear
NUCLEO: Constituido por Z protones y N neutrones. CORTEZA: Constituido por Z electrones. ELEMENTO QUÍMICO: Sustancia simple constituida por átomos que tienen todos el mismo número atómico. Capa de Valencia ISOTOPOS: Átomos de un mismo elemento químico con el mismo número atómico y distinto número másico. ELECTRÓNES DE VALENCIA: responsables de la interacción entre átomos de distintas especies o entre los átomos de una misma. Se encuentran en los mayores niveles de energía del átomo. VIDEO: La energía nuclear

3 1. CONCEPTOS PREVIOS (II)
NÚMERO MÁSICO: Suma de protones y neutrones del núcleo. A los elementos con números diferentes de neutrones se denominan isótopos. NÚMERO ATÓMICO: Número de protones del núcleo.

4 2. RADIOACTIVIDAD (I) La 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.

5 2. RADIOACTIVIDAD (II) RADIACTIVIDAD NATURAL
Emisión espontanea por parte de algunas sustancias (uranio, radio, polonio) de radiaciones. Pueden ser: Radiación α: poco penetrante, constituida por núcleos de helio. Radiación β: algo más penetrante que la anterior, constituida por electrones. Radiación Ɣ: gran poder de penetración, capaz de recorrer centenares de metros. De naturaleza no material (radiación electromagnética).

6 Radioactividad Natural
Penetración de las radiaciones alfa, beta y gamma: Lámina de cartón Aluminio Plomo

7 2. RADIOACTIVIDAD (III) TRANSMUTACIÓN ARTIFICIAL
RADIACTIVIDAD ARTIFICIAL Se obliga a los núcleos de algunos elementos a transformarse en otros distintos. Se bombardean núcleos de determinados elementos con partículas , obteniéndose isótopos que no se encuentran en la naturaleza con carácter radiactivo, en dicho proceso además de partículas , , y  también se emiten protones, neutrones y positrones. Se bombardea nitrógeno Núcleos de oxigeno y protones Partículas  En todos estos procesos (reacciones nucleares) se cumple que la suma de los números atómicos y másicos de los dos miembros de la ecuación a de ser la misma.

8 3. ENERGIA NUCLEAR (I) E=mc2
Estrictamente hablando la energía nuclear es la energía que se libera al dividir el núcleo de un átomo (fisión nuclear) o al unir dos átomos para convertirse en un átomo individual (fusión nuclear). Cuando se produce una de estas dos reacciones físicas (la fisión 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 Albert Einstein: E=mc2 E es la energía, se mide en julios (J), m es la masa y se mide en kilogramos (kg) y c es la velocidad de la luz ( m/s).

9 3. REACCIONES NUCLEARES (I)
FISIÓN NUCLEAR Reacción nuclear explosiva 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. Reacción nuclear controlada

10 3. REACCIONES NUCLEARES (II)
FUSIÓN NUCLEAR La fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos núcleos de átomos ligeros, en general el hidrógeno y sus isótopos (deuterio y tritio), se unen para formar otro núcleo más pesado, liberando una gran cantidad de energía. Históricamente, los intentos de controlar la fusión han incluido el tratar de reproducir las condiciones en las que se produce la fusión en el interior de las estrellas. Esto es: calentar hidrógeno gaseoso a muy altas temperaturas y comprimirlo en campos magnéticos hasta que comience la fusión. Este proceso recibe el nombre de fusión “caliente”. VIDEO: Fisión y Fusión nuclear

11 4. CENTRALES NUCLEARES Una central nuclear es una instalación industrial construida para generar electricidad a partir de la energía nuclear. Las centrales nucleares forman parte de la familia de las centrales termoeléctricas, lo que implica que utilizan el calor para generar la energía eléctrica. Y como ya sabemos este calor proviene de la fisión de materiales como el uranio y el plutonio.

12 4. C. NUCLEARES / COMBUSTIBLE NUCLEAR
Uranio Fábrica de Elementos Combustibles de Juzbado (Salamanca), produce combustible nuclear para reactores. VÍDEO: Fabricación Uranio 235

13 3. C. NUCLEARES / REACTOR NUCLEAR
Reflector: evita la fuga de neutrones COMBUSTIBLES U-235; Pu-239: U-233 Moderador agua, agrafito, berilio. Barras de control: boro o cadmio Blindaje de hormigón: evita la salida de neutrones y radiaciones

14 3. C. NUCLEARES / REACTOR NUCLEAR
Neutrones liberados (NEUTRONES RÁPIDOS, Mgev): NO aptos para producir la reacción de fisión. REACCIÓN Se frenan (moderador) NEUTRONES TÉRMICOS (0.02ev) Pero no todos los neutrones chocan y producen nuevas reacciones MASA CRÍTICA U-235 (1y2kg) Factor K K=1(reacción crítica) K>1(r. supercrítica) k<1(r. subcrítica)

15 3. C. NUCLEARES / REACTOR NUCLEAR
Imágenes del interior de un reactor ARTÍCULO: Luz Azul ARTÍCULO: Reactor AP1000 VÍDEO: Radiación de Cherenkov

16 3. C. NUCLEARES / REACTOR NUCLEAR
Tipos de reactores: Reactores de producción de potencia: Los existentes en las centrales nucleares para la generación de electricidad. Reactores para la investigación Reactores reproductores: diseñado para producir combustible generando más material fisionable (plutonio) del que consume. Curiosidad Reactor Nuclear de un Submarino

17 3. C. NUCLEARES / REACTOR NUCLEAR
Reactores de producción de potencia /Tipos Los reactores térmicos se pueden clasificar según el moderador que utilicen. Generalmente, cada moderador tiene asociado un tipo de combustible y un tipo de refrigerante. Las diferencias esenciales entre estos reactores son los siguientes: Reactor de agua ligera Dentro de este grupo existen dos tipos de reactores:

18 3. C. NUCLEARES / REACTOR NUCLEAR
Reactores de producción de potencia /Agua ligera a. Reactor de agua a presión (PWR – Pressurized water reactor). Utilizan agua como moderador y refrigerante. b. Reactor de agua en ebullición (BWR – Boiling water reactor). En este tipo de reactor, una parte del agua del refrigerante (que a la vez actúa como moderador) pasa a la fase vapor en el propio reactor.

19 3. C. NUCLEARES / REACTOR NUCLEAR
2. Reactor de agua pesada El reactor de agua pesada usa como combustible uranio natural y el agua pesada se utiliza como moderador y como refrigerante. Este tipo de reactor se ha desarrollado principalmente en Canadá. 3. Reactor de uranio natural, gas y grafito Este tipo de reactor utiliza como combustible uranio natural en forma metálica. Utilizan grafito como moderador y anhídrido carbónico como refrigerante. Estos reactores se han desarrollado principalmente en Francia y Gran Bretaña. 4. Reactor avanzado de gas Las principales diferencias se presentan en el combustible. Estos utilizan óxido de uranio ligeramente enriquecido y dispuesto en tubos de acero inoxidable. 5. Reactor de grafito y agua ligera Este diseño, exclusivamente soviético, utiliza uranio ligeramente enriquecido como combustible, grafito como moderador y agua como refrigerante, que se transforma en vapor en el propio reactor.

20 4. C. NUCLEARES / ELEMENTOS
CIRCUITO PRIMARIO CIRCUITO SECUNDARIO CIRCUITO DE REFRIGERACIÓN Central eléctrica Reactor Turbinas ENERGIA NUCLEAR ENERGÍA CALORÍFICA ENERGÍA MECÁNICA ENERGÍA ELÉCTRICA VÍDEO: Como lo hacen

21 4. C. NUCLEARES / ELEMENTOS
El funcionamiento de una central nuclear se basa en el aprovechamiento del calor para mover una turbina por la acción del vapor de agua, la cual está conectada a un generador eléctrico. Para conseguir el vapor de agua se utiliza como combustible el uranio o el plutonio. El proceso se puede simplificar en cinco fases: Debido a la fisión del uranio que se lleva a cabo en el reactor nuclear, se libera una gran cantidad de energía que calienta el agua (circuito primario) hasta evaporarla.  Este vapor se transporta al conjunto turbina–generador mediante un circuito de vapor o circuito secundario.  Una vez ahí, las aspas de la turbina giran por la acción del vapor y mueven el generador que trasforma la energía mecánica en electricidad.  Una vez el vapor de agua ha pasado por la turbina, se envía a un condensador donde se enfría y se vuelve líquido (circuito de refrigeración)  Y nuevamente se transporta el agua para volver a conseguir vapor, cerrando así el circuito del agua.

22 4. C. NUCLEARES / ELEMENTOS
Circuito de enfriamiento primario:  Como se ha indicado el agua en este circuito se mantiene a presión elevada para evitar que hierva. Debido a que esta agua se vuelve radiactiva no debe entrar en contacto con el exterior. En este circuito se pueden distinguir cuatro módulos diferentes: Reactor: el agua fluye a través de las fundas de las barras de combustible, retirando el calor producido por la reacción nuclear en cadena. Presurizador: regula la presión del agua mediante calentamiento eléctrico y válvulas de purga. - Generador de vapor: (o intercambiador de calor): a través de él, pero sin llegar a tocarse, el agua del circuito primario entra en contacto con la del circuito secundario, haciendo que hierva. - Bomba: asegura la adecuada circulación de agua a través del circuito.

23 4. C. NUCLEARES / ELEMENTOS
Circuito de enfriamiento secundario y obtención de electricidad:  Consta de agua no radiactiva y es cerrado. - Generador de vapor (o intercambiador de calor): el agua se lleva a la ebullición con el calor que se retira del circuito primario. Antes de la salida el agua restante es separada del vapor, de tal forma que éste sea seco. - Turbina: el vapor expandido mueve la turbina, la cual está conectada al generador eléctrico. La turbina está dividida en dos partes: de alta y de baja presión. - Condensador: el vapor es enfriado mediante aporte de agua fría del exterior, condensándose para devolverlo al estado líquido. - Desaireador: retira los gases del refrigerante. - Bomba: las bombas de circulación están movidas mediante pequeñas turbinas de vapor, dependientes de las mismas.

24 4. C. NUCLEARES / ELEMENTOS
Circuito de enfriamiento terciario:  Se trata de un circuito abierto al exterior, del cual se toma agua para refrigerar el circuito secundario. El agua de este circuito proviene de un reservorio (lago, río, embalse o mar). - Condensador: su función es hacer que el vapor del circuito secundario se enfríe y transforme en agua líquida. -Bomba: una serie de bombas de agua aseguran el flujo del líquido. -Torres de refrigeración: para evitar que el agua vuelva demasiado caliente al medio natural se la deja enfriar en las torres de refrigeración, que emiten característicos penachos de vapor. Cada reactor VVER tiene dos torres de refrigeración, como es habitual en los diseños rusos.

25 4. C. NUCLEARES / ELEMENTOS
Otra imagen de una central nuclear. C. Secundario C. de Refrigeración C. Primario

26 5. RESIDUOS RADIACTIVOS (I)
Procedencia: Centrales nucleares Centros de investigación Hospitales Estado: - Solido, líquido, gaseoso Tipos: Residuos de alta actividad Residuos de media actividad Residuos de baja actividad

27 5. RESIDUOS RADIACTIVOS (II)
Tratamientos: - Gaseosos: Se emplean filtros absolutos de alta eficacia (HEPA) capaces de retener más del por 100 de las partículas de 0.3 micrómetros. VÍDEO: Almacén nuclear “el Cabril” Página: Visita virtual - Residuos sólidos de baja y media radioactividad: (ropa, herramientas, desechos de los residuos líquidos y gaseosos). Se mezcla con hormigón, se introducen en bidones, se transportan hasta su emplazamiento definitivo. - Residuos sólidos de alta radioactividad: Se almacenan en la central, se conduce a fabricas de reprocesamiento, se extrae el combustible no consumido, el resto es transportado a los almacenes nucleares.

28 5. RESIDUOS RADIACTIVOS (III)
Cementerios nucleares

29 6. ENERGÍA NUCLEAR EN ESPAÑA
TABLA: PRODUCCIÓN ESPAÑOLA Demanda de energía en tiempo real

30 5. ENERGÍA NUCLEAR EN EL MUNDO (I)

31 5. ENERGÍA NUCLEAR EN EL MUNDO (II)

32 6. VENTAJAS E INCONVENIENTES
- Las energías renovables no producen por ahora toda la electricidad necesaria. - Impacto ambiental por radiación y deterioro en la extracción del uranio. - Elevada inversión en la construcción y limitado número de años de uso por el daño acumulativo que ejerce la radiación atómica en las propias instalaciones. - Seguridad garantizada. - Tienen un alto rendimiento. - Funcionan las 24 horas del día los 365 días del año. - Elevado coste de mantenimiento y de medidas de seguridad para evitar fugas radiactivas. - Es una energía limpia el evitar 60 millones de toneladas de CO2 al año. - Daños muy graves en el entorno, el ecosistema y las poblaciones en caso de accidente, aunque los accidentes son casi inexistentes. - Es económica, porque produce el kwh con unos costes razonables. - Contaminación térmica en el agua que se emplea para refrigerar el reactor. - Producción de residuos radiactivos muy peligrosos y difícilmente eliminables.

33 CONCLUSIONES