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Energía nuclear: algunas respuestas para pensar cómo acabar con el efecto invernadero

¿Qué es una central nuclear? ¿Qué es la fisión de uranio? ¿Cómo funciona un reactor? Primera nota de una serie sobre un debate necesario e imprescindible en el camino de sustituir el uso de los combustibles fósiles.

Gabriel Paissan

Físico | CNEA y CONICET | Docente CRUB - UNCo

Lunes 29 de julio | 23:09

La energía es imprescindible para el desarrollo social. La energía nuclear junto a la hidroeléctrica son fuentes primarias para la generación de electricidad de base e indispensables en camino a sustituir el uso de los combustibles fósiles y, consecuentemente, de la disminución de la emisión de gases de efecto invernadero.

Con ésta nota se inicia una serie en la que se pretende abrir un debate sobre el tema. Y se comienza con aspectos técnicos básicos sobre el funcionamiento de una central nuclear.

¿Qué es una central nuclear?

A grosso modo una central nuclear es una máquina de vapor que, a diferencia de quemar un combustible para calentar agua, genera calor a partir de un proceso físico de fisión de un material como el uranio. Este calor (obtenido de la fisión) calentará agua que producirá el vapor que moverá una turbina, que a su vez moverá un generador de electricidad.

En este sentido, en una central nuclear no se quema nada, no hay combustión, aunque a ese material de uranio se le llame combustible nuclear.

¿Qué es la fisión nuclear?

Es un tipo de reacción que se produce cuando un núcleo de un átomo pesado, por ejemplo uranio, captura un neutrón que incide sobre él. A causa de ello el núcleo se vuelve inestable, se parte en dos núcleos más livianos y emite neutrones, rayos gamma y libera una gran cantidad de energía. A su vez, si los neutrones emitidos en esta reacción son capturados por otros núcleos de uranio se producirán nuevas fisiones, dando lugar a lo que se denomina una reacción en cadena.

En la reacción en cadena los neutrones, productos de la la fisión del núcleo atómico, provocan nuevas fisiones en los átomos de alrededor. Si hay suficiente masa de material fisible, es decir, si se tiene masa crítica, entonces la reacción es capaz de sostenerse a sí misma, generando más energía y más fisiones.

Si el número de neutrones en una generación es igual al número de neutrones de la generación precedente, las reacciones de fisión son constantes. En este caso, en un reactor nuclear se dice que las reacciones en cadena alcanzaron un estado crítico. Mantener la criticidad es una cuestión fundamental para mantener en funcionamiento (encendido) un reactor.

Los neutrones producidos por la fisión tienen una energía elevada, moviéndose a velocidades altas, tanto que atravesarán muchos núcleos antes de ser capturados por uno de ellos y producir fisión. Para que esos neutrones rápidos tengan probabilidad de ser capturados por nuevos núcleos y fisionarlos es necesario un moderador que les disminuya la velocidad y convertirlos en neutrones térmicos.

En reactores que emplean como combustible uranio natural (como es el caso de todas las centrales nucleares nacionales) un excelente moderador neutrónico es el agua pesada. Otros ejemplos de moderadores son el agua liviana y el grafito (empleado en los primeros reactores y en el fatídico reactor de Chernobyl).

El agua pesada es H2O (agua) con los átomos de hidrógeno corriente sustituidos por átomos de deuterio; es decir, átomos de hidrógeno cuyo núcleo tiene un neutrón además del protón, 2H2O (o D2O, óxido de deuterio).

Elementos básicos que componen un reactor

No obstante, el material del moderador no debe ser tan efectivo que tienda a frenarlos por completo, porque en ese caso ya no tenemos un moderador sino un absorbente neutrónico que captura los neutrones e interrumpe la reacción. Entre estos tenemos, por ejemplo, el carburo de boro, el cadmio o el indio, que son útiles para la construcción de las barras de control que, insertadas entre los elementos combustibles en el reactor, sirven para controlar la potencia o apagar el reactor en un caso de emergencia.

En el gráfico siguiente se presenta un esquema del funcionamiento de un reactor con sus componentes básicos: barras de combustible, moderador y barras de control.

Como se ve en la gráfica, uno de los neutrones producto de una fisión de un núcleo del elemento de combustible en A se desplaza a través del moderador frenándose (perdiendo energía) en colisiones contra los átomos que componen a éste y termina absorbido en la barra de control C.

Otro de los neutrones generados en A pasa también colisionando por el moderador y finaliza en D, siendo capturado por otro núcleo del combustible, produciendo una nueva reacción de fisión y repitiendo el proceso de reacción en cadena.

Es importante hacer notar aquí que ese frenado de los neutrones rápidos productos de la fisión calienta el agua del moderador que es usada luego para producir el vapor que mueve las turbinas y el generador.

Además de los barras de combustible, moderador y barras de control hay otros tres componentes fundamentales del núcleo de un reactor:

i) El refrigerante, que transmite el calor del reactor al generador de vapor, sin que los neutrones terminen absorbidos. En algunos reactores el agua pesada además de usarse como moderador sirve como refrigerante. En otros casos puede usarse gases como el anhídrido carbónico o el helio.

ii) El reflector, que es un medio, no absorbente, que rodea al material fisible, para desviar los neutrones de vuelta hacia el interior y aumentar las chances de colisiones. Un reflector de neutrones puede convertir una cierta cantidad de material fisible subcrítico en crítico. La elección del material reflector depende del tipo de reactor. Son comunes el acero, el berilio o el grafito.

iii) El blindaje, que aísle el entorno de las radiaciones de neutrones y rayos gamma. Se usa concreto, plomo, agua.

Funcionamiento básico de un reactor

Hay distintos tipos de reactores y centrales nucleares. No es el propósito tratarlos en ésta nota. Aquí se reseña el funcionamiento de una central nuclear típica a partir de un diagrama.

En la vasija del reactor se encuentran los elementos combustibles, las barras de control y el moderador, que para el caso podemos considerar que es agua pesada, la cual además es refrigerante. El agua pesada circula (parte coloreada en naranja) extrayendo el calor de las fisiones que se producen en el núcleo y pasa por un generador de vapor, que es un intercambiador de calor.

Allí el agua pesada deja parte del calor calentando agua común a menor temperatura, circulando por una tubería separada, sin entrar en contacto directo con el agua común y es bombeada de regreso a la vasija.

Como se puede apreciar, el conjunto constituye un circuito cerrado denominado circuito primario.

El vapor producido con el agua común en el intercambiador de calor es conducido a una turbina para impulsarla y finalmente mover el rotor de un generador eléctrico o alternador.

El agua vaporizada que pasa por la turbina es vuelta a su estado líquido con un condensador (que no es más que otro intercambiador) y vuelve a ser reinyectada al generador de vapor por una bomba. Éste es otro circuito cerrado, denominado secundario.

El agua que alimenta el condensador es un tercer circuito, que toma de alguna fuente como puede ser un río, lago o el mar y luego de cumplir su función de condensar el vapor de agua común vuelve a la fuente de la que fue tomada.

La electricidad producida en el generador es llevada a un transformador para elevar el voltaje (y disminuir la corriente) y poder hacer su transporte por cables en torres de alta tensión.

Una observación, una imagen icónica de una central nuclear son unas “chimeneas” intimidantes, enormes, anchas, de paredes curvas (geométricamente un hiperboloide). Esas son torres de enfriamiento. Cumplen la función de que el calor extraído en la condensación del vapor de agua común de la turbina sea disipado para luego ser reinyectado en el circuito con una bomba. Esto hace que el tercer circuito sea cerrado o semicerrado, reponiendo solamente el agua que se pierde por la evaporación en esas torres. Se usan especialmente en lugares en los que no se dispone de agua en cantidad y no liberan ningún componente tóxico en la atmósfera.

En una próxima nota describiremos básicamente distintos tipos de reactores, veremos con algún detalle los reactores nacionales y cuestiones de la seguridad, entre otros aspectos. Complementariamente a ésta nota recomiendo fuertemente la lectura de Combustible nuclear: mitos y verdades publicado en La Izquierda Diario.







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