1 TECNOLOGÍA INDUSTRIAL I 1º DE BACHILLERATO. Tema 3 CIENTÍFICO TECNOLÓGICO LA ENERGÍA NUCLEAR.

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1 1 TECNOLOGÍA INDUSTRIAL I 1º DE BACHILLERATO. Tema 3 CIENTÍFICO TECNOLÓGICO LA ENERGÍA NUCLEAR

2 2 Radiactividad natural  Radiactividad natural.- consiste en la emisión espontánea por parte de algunas sustancias existentes en la naturaleza de radiaciones capaces de atravesar cuerpos opacos.  Es decir, los núcleos de los elementos radiactivos se convierten de manera espontánea en otros núcleos distintos, emitiendo en el proceso partículas  -  -   Tipos de radiaciones:  - Radiación alfa (  ).- constituida por nucleos de helio. Es muy poco penetrante, siendo absorbida por una hoja fina de papel o la misma piel del cuerpo.  - Radiación beta (  ).- constituida por electrones, es mas penetrante que la , aunque puede ser detenida por una lamina metalica de algunos mm. o madera de varios cm. de espesor.  - Radiación gamma(  ).- no tiene naturaleza material, es radiacion electromagnetica de gran poder de penetracion, capaz de recorrer centenares de metros en el aire. Para detenerla se requiere una lamina grueza de plomo o una pared de hormigon.

3 3 Tipos de radiaciones

4 4 Transmutación artificial  Es el proceso por el cual, artificialmente, mediante el bombardeo del núcleo se obtienen otros elementos.  14 7 N+ 4 2 He  17 8 O+ 1 1 H  Tanto este proceso artificial como el natural, recibe el nombre de reacción nuclear.  En toda reacción nuclear se cumple que: la suma de los números atómicos y masicos de los dos miembros de la ecuación han de ser iguales (Ley de la conservación de la carga y del índice de masa).  Numero atómico (Z).- Es el numero de protones del núcleo.  Numero Masico (A).- Es la suma del numero de protones mas el de neutrones existentes en el núcleo. A=Z+N  Para representar un elemento químico, se pone el símbolo  precedido de su numero masico –A- (superíndice)  su numero atómico –Z- (subíndice) BOMBARDEO DE NITRÓGENO CON PARTÍCULAS ALFA A E Z

5 5 Radiactividad artificial, energía nuclear  Radiactividad artificial.- Es la obtenida al bombardear un elemento y obtener otro que no se encuentra en la naturaleza y es radiactivo, es decir, se desintegra espontáneamente.  En este proceso, además de la emisión de partículas ,  y , se emiten: protones, neutrones, positrones, etc.  En la mayor parte de las reacciones nucleares, la masa de los reactivos es mayor que la de los producto de la reacción.  Esta perdida de masa es debida a que en el transcurso de la reacción una cierta cantidad de materia se convierte en energía de acuerdo con la ecuación de Einstein.  E=  m.c 2  Esta energía, dada su procedencia recibe le nombre de Energía nuclear.

6 6 Reacciones nucleares de interés energético-I  Los dos tipos de reacciones nucleares, en el aspecto energético, son la fusión y la fisión.  Reacción de fisión nuclear.- Es cuando al bombardear un núcleo de un elemento este se hace inestable y se desdobla en dos núcleos ligeros.  En el proceso se libera una gran cantidad de energía y desprendimiento de nuevos neutrones (usualmente dos), capaces de continuar la reacción inicial (reacción en cadena).  Por termino medio la energía liberada en la fisión de un núcleo de U-235 es del orden de los 200 MeV  Su utilización puede ser:  Con fines militares (bomba atómica)  Con fines pacíficos ( como fuente de energía en los reactores nucleares de las centrales nucleares). Little boy - Hiroshima 2.10 7 Kcal.= 3 Tn de carbón 1gr de U-235 = 2.10 7 Kcal.= 3 Tn de carbón

7 7 REACCIÓN DE FISIÓN

8 8 Reacciones nucleares de interés energético-II  Las reacciones de fusión, también llamadas termonucleares, debido a la elevada temperatura a la que tiene lugar, consiste en la unión de núcleos ligeros para producir otro mas complejo.  Se puede a partir de isótopos de hidrogeno (deuterio-tritio) obtener Helio + neutron.  La energía emitida es mayor que la de la fisión.  Es la energía del sol y de las estrellas.  La energía liberada por cada núcleo de Helio formado es del orden de 26 MeV.  Para producirse la reacción de fusión es necesario vencer la enorme fuerza de repulsión electroestática existente entre ellos, no siendo, en la actualidad, practica su realización.  Puede ser utilizada esta energía, para:  -Fines militares (bomba H). Se detona con una bomba de fisión.  - Fines pacíficos, como fuente de energía, aunque actualmente no es rentable. Desarrollo de la explosión de una bomba H

9 9 REACCIÓN DE FUSIÓN

10 10 El reactor nuclear-I  El aprovechamiento practico de la energía de la fisión tiene tres condicionantes:  - La reacción, una vez iniciada, es en cadena, el numero de electrones desprendido es cada vez mayor, incrementando la energía y produciendo la explosión sino es controlada.  - Los neutrones desprendidos, neutrones rápidos, poseen elevada energía, y no son aptos para producir la reacción de fisión. Deben de ser frenados chocando con átomos mas pequeños y para ello se emplea: agua ordinaria, agua pesada, grafito o berilio.  Los neutrones producidos pueden:  - escapar del material fisionable sin producir reacción alguna.  - ser absorbidos por impurezas.  -ser absorbidos por núcleos de U-238. sin fisionarlos.  -ser absorbidos por núcleos de U-235 y fisionarlos.  Es decir para mantener una reacción de fisión nuclear es necesaria una masa mínima de materia fisionable, que para el U-235 oscila entre 1 y 2Kg. y se conoce como masa critica.  Para que trascurra la reacción en cadena, es necesario que el numero de neutrones producidos sea mayor que el de absorbidos + perdidos.  El cociente entre estos dos valores, es el factor K.  Si K = 1 la reacción en cadena será critica o estacionaria.  Si K > 1 La reacción en cadena será supercrítica, dará lugar a la explosión.  Si K < 1 La reacción en cadena será subcritica, decreciendo con el tiempo.  Se puede controlar la reacción en cadena por medio de sustancias absorbentes de neutrones, como el boro y el cadmio.

11 11 El reactor nuclear-II  Las reacciones de fisión se llevan a cabo en instalaciones termoeléctricas conocidas como Centrales nucleares.  Las centrales nucleares constan de:  Un dispositivo básico denominado reactor nuclear.  Un turbogenerador, en el que la energía calorífica se trasforma en eléctrica.  Edificios de almacenamiento, tanto de material combustible como del gastado.  También se emplean los reactor nucleares, como fuente de energía principal de barcos, tanto civiles como militares

12 12 Características de un reactor nuclear-I  La parte central del reactor se denomina núcleo.  Y contiene el material combustible, de forma y dimensiones variadas, suele estar recubierto de una capa protectora denominada vaina.  Y los elementos necesarios para producir y controlar la reacción de fisión:  -Material moderador. Grafito, berilio, agua contra los cuales chocan los neutrones para disminuir su velocidad.  -barras de control. Regulan el factor de multiplicación, son barras móviles de boro cadmio, que se introducen mas o menos en el núcleo del reactor modificando el numero de fisiones. La energía procedente de la fisión se desprende en forma de calor, que es trasportado mediante un fluido refrigerante, que suele ser agua ordinaria, agua pesada gas o metal liquido.

13 13 Características de un reactor nuclear-II  Rodeando el núcleo y para evitar fugas de neutrones suele haber un reflector, de material análogo al del moderador.  Para proteger el medio contra posibles fugas se rodea todo el reactor con un blindaje de hormigón de varios metros de espesor, suele ser de forma cilíndrica con una cúpula semiesférica

14 14 Distintos tipos de reactores nucleares  En función de su utilización, se pueden clasificar en:  - Reactores de producción de potencia.- Son los de las centrales nucleares en las cuales la energía calorífica se trasforma en eléctrica.  - Reactores de investigación.- Son los utilizados como fuente de alta intensidad de radiación y de neutrones así como los destinados a la radiación de radioisótopos.  - Reactores reproductores.- Trasforman material fértil en fisionable, del U-238 se obtiene el Pu-239.  De acuerdo con la energía de los neutrones, los reactores pueden ser:  - térmicos.  - intermedios.  - rápidos ( estos últimos sin moderador)

15 15 Centrales nucleares  Centrales nucleares.- son aquellas instalaciones que trasforman la energía nuclear de fisión en energía eléctrica.  Las trasformaciones de la energía en una central nuclear son:  - En el interior del reactor.- energía nuclear en calorífica.  - En las turbinas.- energía calorífica en energía mecánica.  En el generador (alternador).- energía mecánica se convierte en eléctrica.

16 16 Ventajas e inconvenientes de la energía nuclear.  Las ventajas e inconvenientes son de carácter técnico y económico.  Ventajas:  - Enormes posibilidades energéticas, complementando a las hidráulicas y de combustibles fósiles.  - Combustible de larga duración y volumen reducido.  - No quema el oxigeno atmosférico.  Inconvenientes:  - Escaso rendimiento como consecuencia de las perdidas de energía en la refrigeración.  - Elevados costos de instalación.  - La necesidad de medidas de seguridad extremas.  - Almacenamiento de los residuos. Chernobyl

17 17 Aspectos medioambientales de la energía nuclear.  La instalación de centrales nucleares conlleva la asunción de unos riesgos enormes en relación con el peligro de:  - fugas radioactivas.  - Fundición del reactor nuclear, “sindrome de china”, por falta de refrigerante. Aunque dicen que solo penetrara unos 15 m.  - El nivel de radiación generado por una central nuclear que funciona correctamente es muy inferior al generado por otras fuentes naturales o artificiales.  - La nube radioactiva producida por una explosión nuclear puede ser llevada por los vientos a grandes distancias, y al llover puede contaminar los suelos y las cosechas. Ciudad abandonada de Pripiat, cerca de Chernobyl

18 18 Residuos radioactivos.  Los residuos radioactivos son los materiales que contienen radioisótopos en proporción superior a la admitida por la legislación correspondiente.  La mayor parte procede de centrales nucleares, aunque también puede proceder de centros de investigación o de aparatos clínicos.  Procedimientos de eliminación de residuos.-  - los gaseosos, son tratados para eliminar la radioactividad y mandados a la atmósfera.  - Los sólidos de baja y media radioactividad, se mezcla con hormigón y se introduce en bidones, que se almacenan.  - Los sólidos de alta radioactividad (combustible gastado) se almacenan, en principio, en la propia central, en piscinas de hormigón llenas de agua y luego se conducen a la fabrica de reprocesamiento, en las que se recupera el material combustible no consumido. El resto se lleva a los cementerios radioactivos, situados en zonas geológicamente estables.  También hemos de tener en cuenta el alto coste del desmantelamiento de una central nuclear.

19 19 Efecto de las bombas nucleares  Los efectos de una explosión nuclear dependen de muchos factores, entre ellos el rendimiento del artefacto, la altura sobre la superficie a la que es detonado, las condiciones climáticas, etc.  El rendimiento es la cantidad de energía liberada. Así tenemos:  1.000 Kg TNT = 4.000 veces la energia necesaria para elevar un coche de una Tn. a 100m. de altura.  1Kt ( kiloton)= 1.000 T.de TNT  1.000 Kt = 1 Mt. (megaton).  Los efectos son de cuatro tipos: así para una bomba de un megaton.  - térmico o calorífico.- a 10 Km. Quemaduras de segundo grado. A 25Km. ceguera, a 60Km. quemaduras en la retina. A 8 Km. la ropa se quema..  - de choque o presión. Una explosión de un Mt. a 1.500m. de altura, destruye todo en 2,5Km. de radio,  - radiactivos.- La radiación se mide en rad. La radiación anual recibida normalmente es de 0,1 rad, en una explosión la radiación puede ser de millones de rads, 400 rads es letal para el 50% de las personas.  - pulso electromagnético.- Se traslada a la velocidad de la luz y es desvastador para los sistemas telefónicos, de comunicaciones, de cómputo, y en general para cualquier circuito que contenga componentes electrónicos, alcanza miles de Km. Puede paralizar un pais.  A esto debemos añadir la lluvia radioactiva, los incendios, etc. Bomba Hiroshima = 13 Kt.

20 20 Energía nuclear de fusión  Los métodos encaminados a la utilización de la energía de fusión de una forma rentable parten de:  Un almacenamiento del plasma (núcleos atómicos desprovisto de los electrones corticales) mediante la acción de potentísimos imanes y aumento de la temperatura.  El método de confinamiento inercial que utiliza el láser como elemento primordial.  En ambos métodos la emergía consumida es mayor que la obtenida. Luego no son rentables.  La energía de fusión representa dos grandes ventajas en relación a la de fisión:  - Utiliza como materia prima isótopos de hidrogeno, aunque porcentual mente escasos, se obtienen del hidrogeno abundantes en la naturaleza en mares y océanos.  - Es una energía limpia, no se generan isótopos radioactivos. Aunque actualmente se considera una energía limpia, esto no impide que en un futuro próximo se descubra algún efecto perjudicial. I.T.E.R. (Reactor Experimental de Fusión Nuclear)

21 21 La energía nuclear en España  En el año 1983 se aprobó la moratoria nuclear, que dio lugar a  la parada de algunas centrales en construcción y otras en proyecto  El cierre de otras obsoletas.  Todas ellas proporcionan la tercera parte de la energía producida en España.  Unos 55mil millones de KW.  La producción es de unas 300Tns de uranio, del yacimiento de Lérida.  En el Cabril (Córdoba) se guardan los residuos de baja y media actividad.  Los de alta actividad son enviados al extranjero.

22 22  FIN