La Energía del Átomo

Historia de la Evolución del Uso De Energía Desde el Fuego

HISTORIA DEL DESCUBRIMIENTO Y  EVOLUCIÓN DEL USO DE LA ENERGÍA
DESDE EL FUEGO A LA ENERGÍA ATÓMICA

LAS ENERGIA PRIMARIAS: Una fuente de energía primaria es toda forma de energía disponible en la naturaleza antes de ser convertida o transformada, y ellas son: el petróleo, gas natural, el carbón, la madera o leña, caída de agua, la del sol o solar, la eólica, mareomotriz y nuclear.

Observa el siguiente cuadro, donde se indica la clasificación de las fuentes de energía:

cuadro clasificacion de las fuentes  de energía

PRIMEROS USOS DEL FUEGO: Una fuente de energía —el combustible al arder—- tiene un lugar muy especial en la historia del hombre. Efectivamente, muchos antiguos pueblos consideraron que el fuego era sagrado, y algunos, como los griegos, tenían leyendas que contaban cómo los hombres habían arrancado a los dioses el secreto del fuego. Según la leyenda griega, Prometeo robó fuego de la forja del dios Hefestos (Vulcano) y lo escondió en un tallo hueco de heno.

uso del fuego por el hombre

Si nos detenemos a pensar por un momento acerca de las otras fuentes de energía que usaron los hombres primitivos, podremos comprender por qué se consideró el fuego de este modo. Los hombres de la Edad de Piedra podían advertir la energía muscular de los animales en acción cada vez que iban de caza; no podían menos de observar la energía del viento, que lo mismo meneaba las hojas de los árboles que desgajaba sus ramas, y ellos deben haberse dado cuenta muchas veces de la energía del agua en movimiento al arremolinar pesados troncos corriente abajo. Pero la energía dejada en libertad cuando el fuego arde es mucho más difícil de notar.

Los primeros hombres que vieron en un bosque un incendio causado por el rayo, probablemente pensaron en el fuego sólo como un elemento destructor y deben haber pasado muchas generaciones hasta que el hombre se diera cuenta de que el fuego podía usarse para realizar trabajo útil. Además, la energía del viento y la del agua estaban allí a disposición del hombre para que las usara. Pero antes de que él pudiera usar el fuego tuvo que aprender a producirlo.

Durante miles de años la única manera de hacer fuego era golpeando dos piedras o pedernales para producir una chispa. Ése es el método que aún emplean ciertas tribus primitivas de Australia y de Sudamérica, y es muy parecido al que usaba la gente cuando se valía de cajas de yesca, hasta que se inventaron los fósforos, hace poco más de un siglo.   Efectivamente, aún utilizamos pedernales para encender cigarrillos o picos de gas. Con el tiempo la gente aprendió a producir fuego haciendo girar dos palitos juntos encima de algún combustible seco, en polvo, hasta hacer saltar una chispa.

Una vez que el hombre tuvo el fuego, pronto descubrió que le podía prestar dos servicios para los que era insustituible. Sobre todo, le suministró calor y luz, y aún hoy el fuego es nuestra mayor fuente de calor y de iluminación. Aun teniendo casas donde todo está electrificado, casi seguramente la electricidad que nos proporciona luz y calor proviene de generadores movidos por el vapor que produce la combustión del carbón. También el fuego podía realizar cosas que el viento, la energía muscular y el agua no eran capaces de hacer.

Podía producir cambios físicos y químicos en muchas clases de substancias. Aunque el hombre primitivo no se diese cuenta, el fuego en el cual él cocía su pan contribuía a transformar varias substancias químicas en la masa del almidón y a producir el anhídrido carbónico que hacía fermentar el pan.

El fuego con que cocía sus vasijas cambiaba las propiedades físicas de la arcilla y la hacía dura y frágil, en vez de blanda y moldeable. Aún hoy usamos el fuego para cambiar las propiedades físicas de las materias primas: al extraer el metal de sus minerales, en la fabricación del vidrio y del ladrillo y en otras muchas. También lo usamos para provocar cambios químicos: en la cocina, en la destilería, en el horneado y en infinito número de procesos industriales.

También hemos aprendido a hacer uso del poder devastador del fuego. Empleamos su tremendo calor destructivo, concentrado en un rayo del grosor de un lápiz, para perforar duros metales. Usamos la fuerza de poderosos explosivos, encendidos por una pequeña chispa, para despejar montañas de escombros, que de otro modo llevaría semanas de trabajo el acarj-ear, y frecuentemente utilizamos el fuego para destruir residuos que deben ser eliminados si queremos mantener sanos nuestros pueblos y ciudades.

HISTORIA DEL CALOR COMO ENERGÍA: El hombre dejó, al fin, de considerar el fuego como objeto sagrado, mas durante cientos de años siguió mirándolo como a cosa muy misteriosa.

La mayoría creía que el fuego quitaba algo de toda materia que quemaba. Veían que las llamas reducían sólidos troncos a un puñado de blandas cenizas y unas volutas de humo. Llenaban una lámpara de aceite, la encendían y descubrían que el aceite también se consumía.

Encendían una larga vela y en pocas horas apenas quedaba un cabo.

Solamente hace 200 años un gran francés, Lavoisier, demostró que el fuego, en realidad, agrega algo a aquello que quema. Hay un experimento muy simple para demostrar que esto es así. Tomamos una balanza sensible y colocamos una vela en un platillo, con un tubo de vidrio repleto de lana de vidrio, puesto justamente encima de aquélla para recoger el humo. En el otro platillo colocamos suficiente peso para equilibrar exactamente la vela, el tubo y la lana de vidrio. Si ahora prendemos la vela y la dejamos arder, descubrimos que el platillo de la balanza sobre la cual se apoya desciende gradualmente. Esto significa que lo que queda de vela y los gases que ha producido durante su combustión pesan más que la vela íntegra.

Lavoisier pudo ir más allá y demostrar qué es lo que se añade a las substancias cuando arden. Descubrió que es oxígeno del aire. Efectivamente, si colocamos un recipiente boca abajo sobre una vela prendida, la llama se apaga tan pronto como el oxígeno del recipiente ha sido consumido. Del mismo modo, el carbón no puede arder en una estufa, ni el petróleo dentro de un cilindro del motor de un auto, sin una provisión de oxígeno del aire.

calor como energia

Al calentar agua, el vapor puede generar trabajo, es decir movimiento

Pero muchas substancias se combinan muy lentamente con el oxígeno y sin producir ninguna llama. Una es el hierro. Si se expone el hierro al aire húmedo, aunque sólo sea por un día o dos, una fina capa de óxido se forma sobre su superficie, y es que el hierro se ha combinado con el oxígeno. En algunas partes del mundo, también los compuestos de hierro se combinan con el oxígeno, bajo el suelo, produciendo depósitos de color castaño rojizo.

Cuando las substancias se combinan con el oxígeno no siempre producen fuego, pero casi siempre originan calor. Y es el calor producido de este modo el que da a los hombres y animales toda su energía física, toda su fuerza muscular. En nuestros pulmones el oxígeno del aire pasa al torrente sanguíneo y es llevado por la sangre a las células de todas las partes del cuerpo, donde se combina con las partículas alimenticias para originar calor y energía. También produce anhídrido carbónico que expelemos al aire.

El peso del alimento que tomamos en un día no es muy grande ciertamente, y, por lo tanto, la cantidad de calor que producimos en un día tampoco lo es. Y no todo este calor lo convertimos en energía para el trabajo, porque parte de él lo consumimos en el propio cuerpo, para mantener nuestra temperatura y en otros procesos fisiológicos.

Cuando pensamos cuánto trabajo puede realizar un hombre en un día, pronto nos damos cuenta de que una pequeña cantidad de calor puede transformarse en una gran cantidad de trabajo. Así podríamos elevar un peso de 1 tonelada a 30 metros de altura, si transformáramos en trabajo todo el calor necesario para poner en ebullición 1 litro de agua. A grandes alturas, los aviadores no pueden obtener suficiente oxígeno del aire que los rodea, para que sus cuerpos produzcan el calor y la energía que necesitan.

Entonces se colocan una máscara de oxígeno y el ritmo de producción de calor y energía se acelera inmediatamente. De manera similar, en la soldadura, que requiere intenso calor, a menudo se mezcla oxígeno puro con el combustible, en lugar de utilizar el aire común.

LA ENERGIA EÓLICA:  Energía eólica, energía producida por el viento. La primera utilización de la capacidad energética del viento la constituye la navegación a vela . En ella, la fuerza del viento se utiliza para impulsar un barco.

La utilización de la energía eólica no es una tecnología nueva, se basa en el redescubrimiento de una larga tradición de sistemas eólicos empíricos. No es posible establecer con toda claridad el desarrollo histórico de los «sistemas de conversión de energía eólica», sólo es posible identificar los importantes papeles que desempeña la energía eólica en el pasado.

La utilización de la energía del viento resulta muy antigua. La historia se remonta al año 3 500 a.C, cuando los sumerios armaron las primeras embarcaciones de vela, los egipcios construyeron barcos hace al menos cinco mil años para navegar por ei Nilo y más tarde por el Mediterráneo.

Después, los griegos construyeron máquinas que funcionaban con el viento. Así, desde la antigüedad éste ha sido el motor de las embarcaciones. Algunos historiadores sugieren que hace más de 3,000 años la fuerza del viento se empleaba en Egipto cerca de Alejandría para la molienda de granos. Sin embargo, la información más fehaciente de la utilización de la energía eólica en la molienda apunta a Persia en la frontera Afgana en el año 640 D.C.

balsa a vela energia eolica

Barcos con velas aparecían ya en los grabados egipcios más antiguos (3000 a.C.). Los egipcios, los fenicios y más tarde los romanos tenían que utilizar también los remos para contrarrestar una característica esencial de la energía eólica, su discontinuidad.

molino de viento

Uno de los grandes inventos a finale de la Edad Media, el molino de viento, muy usado en el campo argentino para extraer agua de la napa freática y darle de beber  a los animales.

parque eolico

Actualidad: Parque Eólico: Los generadores de turbina de los parques eólicos aprovechan la fuerza del viento para producir electricidad. Estos generadores dañan menos el medio ambiente que otras fuentes, aunque no siempre son prácticos, porque requieren al menos 21 km/h de velocidad media del viento.

ENERGÍA GAS NATURAL: Como gas natural se define la mezcla de hidrocarburos livianos en estado gaseoso, donde la mayor proporción corresponde al metano (CH4) en un valor que oscila entre el 80 al 95 %.

El porcentaje restante está constituido por etano (C2H6), propano, butano y superiores, pudiendo contener asimismo en proporciones mínimas, vapor de agua, anhídrido carbónico, nitrógeno, hidrógeno sulfurado, etc.
El gas natural proviene de yacimientos subterráneos que pueden ser de gas propiamente dicho o de petróleo y gas, según que en su origen se encuentre o no asociado al petróleo.

El gas natural procede generalmente de las perforaciones que se realizan en los yacimientos petrolíferos, de la descomposición de la materia orgánica con el tiempo.

En dichos yacimientos, el petróleo más liviano que el agua, suele flotar sobre lagos subterráneos de agua salada. En la parte superior se encuentra el gas, que ejerce enormes presiones, con lo cual hace fluir el petróleo hacia la superficie.

Ampliar: Gas Natural

LA ENERGÍA ELÉCTRICA: El fuego fue muy importante para el hombre primitivo, porque le capacitó para hacer cosas que con la energía del viento, del agua o del músculo no podía realizar. La humanidad no logró descubrir otra forma de energía capaz de realizar cosas completamente nuevas hasta hace 200 años, cuando comenzó a dominar la electricidad, la fuerza poderosa escondida en el rayo.

energia electrica

Hoy, con la radio, podemos oír a una persona que habla desde comarcas remotas; con la televisión podemos ver sucesos que ocurren a muchas millas de distancia; con cerebros electrónicos o computadoras podemos encontrar en pocos segundos las respuestas a complicadísimos problemas matemáticos. El viento, los músculos, el agua y el fuego no nos podrían ayudar a hacer ninguna de estas cosas; sólo la electricidad.

Varios siglos antes de Cristo, los griegos sabían que el ámbar, al cual llamaban elektron, atraía el polvo y trocitos de plumas después de frotarlo con lana seca, piel o paño. En tiempos de Shakespeare, muchos hombres de ciencia europeos sé interesaron en ésta extraña fuerza de atracción, y un inglés, Guillermo Gilbert, la llamó electricidad.

Alrededor de un siglo más tarde, otro investigador, llamado Guericke, descubrió que la electricidad originada rotando una bola de azufre contra la palma de su mano hacía saltar una chispita con un ruido marcado de chisporroteo. En realidad él había producido un relámpago y un trueno en miniatura.

La electricidad que parece estar contenida, en reposo, en una substancia y es súbitamente liberada, por contacto con otra substancia, se llama electricidad estática. Antes de que los hombres pudieran hacer uso de la electricidad, necesitaban que ésta fluyera de un modo constante y que se lograse controlar, es decir, obtener lo que hoy llamamos una corriente eléctrica.

El primer paso para descubrirla se dio por casualidad.   Más o menos a mediados del siglo xvin, un anatomista italiano, Luis Galvani, dejó las patas de unas ranas recién muertas en contacto con dos alambres, uno de bronce y otro de hierro. Notó que las patas de las ranas comenzaban a estremecerse y pensó que cierta energía animal quedaba en ellas todavía. Pero otro científico italiano, Volta, demostró que el estremecimiento se debía a que estos dos diferentes metales tomaban parte en la producción de electricidad.

volta cientifico creador de la pila

Volta, inventor de la pila eléctrica

Pronto Volta hizo la primera batería, apilando planchas de cobre y de cinc alternadamente una sobre la otra, y separadas sólo por paños empapados en una mezcla débil de ácido y agua. Dos alambres, uno conectado a la plancha de cobre de un extremo y el otro a la plancha de cinc del otro extremo, daban paso a una continua corriente de electricidad.

Las baterías generan electricidad por medio de cambios químicos y aun las más poderosas no producen corrientes lo bastante grandes para muchas necesidades actuales. Los modernos generadores en gran escala producen electricidad por medio de imanes que rotan rápidamente.

Oersted, un danés, y Ampére, un francés, hicieron la mayor parte del trabajo que llevó a descubrir las relaciones entre la electricidad y el magnetismo; pero fue un inglés, Miguel Faraday, quien primero usó un imán en movimiento para producir una corriente eléctrica. Esto ocurrió hace más de un siglo.

Pronto nuevos inventos dé un físico belga, llamado Gramme, y un hombre de ciencia nacido en Alemania, sir Guillermo Siemens, abrieron la nueva era de la energía eléctrica en abundancia. Tomás Edison, un inventor norteamericano, fabricó las primeras bombillas eléctricas y así dio difusión a los beneficios de la electricidad en la vida diaria.

Medimos la fuerza de un generador —la fuerza que pone a una corriente en movimiento— en unidades llamadas voltios, en honor de Volta. Medimos la intensidad de la corriente en amperios, en honor de Ampére. Los voltios, multiplicados por los amperios, nos indican cuánto trabajo puede realizar una corriente, y medimos éste en vatios, en honor de Jacobo Watt, famoso por su invento de la máquina de vapor.

Ampliar Sobre el Descubrimiento de la Electricidad

LA ENERGÍA ATÓMICA: Miles de años transcurrieron desde que se dominó el fuego hasta que se empezó a utilizar la electricidad. Sin embargo, solamente se necesitaron tres generaciones para que surgiese el uso de la energía atómica. Los más grandes hombres de ciencia tardaron más de un siglo en descubrir los secretos del átomo, y no podemos pretender abarcar esa historia completa en una página. Pero podemos dar una rápida ojeada y ver cómo algunos de ellos se lanzaron a esa labor.

Ya en la antigua Grecia había ciertos filósofos que creían que toda la materia está constituida por partículas tan pequeñas que no se pueden dividir. Dieron a estas partículas el nombre de átomos, de dos palabras griegas que significan «no susceptible de ser dividido». Pero hasta hace poco más de 150 años había pocas pruebas, o ninguna, que apoyasen esta creencia.

Antes de 1800 los químicos conocían pocas substancias simples y puras, de la clase que ahora se llaman elementos, y no sabían mucho acerca de cómo combinar los elementos para formar compuestos. Pero en ese año, dos químicos ingleses, Carlisle y Nicholson, usaron una corriente eléctrica para descomponer el agua en dos elementos: hidrógeno y oxígeno. Con la electricidad pronto consiguieron los químicos una cantidad de otros elementos y pronto aprendieron que los elementos se combinan invariablemente en proporciones fijas según el peso.

centrales atomicas

Esto hizo que un químico inglés, Dalton, reviviera la teoría de los átomos. Él creía que cada elemento diferente está constituido por átomos distintos, y que cada uno de éstos tiene un peso especial. Pero poco después de que la gente comenzara a creer en la existencia de los átomos, o partículas indivisibles de materia, los hechos demostraron que los átomos pueden en realidad dividirse en partículas aún más pequeñas.

Primero Róntgen, un científico alemán, advirtió que ciertas substancias químicas pueden obscurecer una placa fotográfica aun cuando esté bien protegida. Había descubierto los rayos X, rayos hechos de partículas que no son átomos enteros. Más tarde, Madame Curie analizó un mineral llamado pechblenda, que emite rayos similares, y descubrió el elemento altamente radiactivo llamado radio. Las sales de radio emiten rayos sin desintegrarse aparentemente.

Marie Curie

Varios científicos, incluyendo a Rutherford y Soddy, estudiaron estos rayos y lograron descomponerlos en tres partes: rayos alfa, que poseen carga eléctrica positiva; rayos beta, o rayos de electrones, que conducen una carga negativa, y rayos gamma, o rayos X.

Más tarde, Rutherford bombardeó una lámina de oro con partículas alfa. Casi todas ellas atravesaron el oro, pero algunas rebotaron.

Esto le hizo suponer que los átomos de la lámina de oro no estaban contiguos, sino muy espaciados, como las estrellas en el cielo. También advirtió que hay gran espacio vacío dentro de cada átomo.

Madame Curie en el Laboratorio

Un danés llamado Niels Bohr encontró que en el centro de cada átomo hay partículas cargadas positivamente (protones) y partículas no cargadas (neutrones), apretadas para formar el centro o núcleo. A distancia del núcleo hay partículas mucho más pequeñas todavía, llamadas electrones, que poseen una carga de electricidad negativa. Estos electrones giran alrededor del núcleo, como los planetas alrededor del Sol.

Otón Hahn, un físico alemán, fue uno de los primeros en descubrir cómo liberar energía de los átomos por reacción en cadena, en la cual los neutrones de un átomo chocan con el núcleo de otro átomo y lo destruyen, liberando así más neutrones, que golpean a su vez los núcleos de otros átomos. Otro alemán, Max Planck, ya había descubierto cómo calcular la cantidad de energía liberada cuando se fisiona un átomo.

Planck y Borh

Los Físicos Planck y Ruthenford

Actualmente obtenemos energía no sólo dividiendo átomos pesados (fisión nuclear), sino también combinando átomos livianos (fusión nuclear).

CUADRO EVOLUCIÓN DEL CONSUMO A LO LARGO DE LA HISTORIA:

cuadro consumo de energia en la historia

Se observa que el consumo de energía va vinculado directamente con el desarrollo de las sociedades, y se pueden diferenciar dos fases: 1) preindustrial donde la energía utilizada era la propia muscular, mas la generada por el carbón, desechos orgánicos. hidraúlica y eólica y 2) la actual a partir de la energía del vapor de agua, la electricidad y el petróleo.

Ampliar: La Energía Atómica

Ampliar: Energía Mareomotriz

Ampliar: Energía Geotérmica

Fuente Consultada:
La Técnica en el Mundo Tomo I CODEX – Globerama – Editorial Cuántica

Funcionamiento de una Central Nuclear Caracteristicas y Partes

Funcionamiento de una Central Nuclear:
Caracteristicas y Componentes

INTROUDUCCIÓN HISTÓRICA: Un 12 de diciembre de 1942 comenzó a montarse, en Chicago, la primera pila atómica del mundo, a partir de trozos de uranio natural y óxido de uranio, separados por grafito. Conforme se fue aumentando su tamaño, la pila comenzó a hacerse crítica y a suministrar energía.

En un principio, la potencia de su energía sólo era de medio vatio, suficiente para encender una pequeña lamparilla de linterna. Diez días después, cuando aumentaron su diámetro a 8 metros, la potencia subió a 200 vatios.

No se continuó aumentando, debido a la peligrosidad de la radiación. Las modernas plantas de energía nuclear son capaces de suministrar energía a razón de más de 200 millones de vatios.

Aunque el primer reactor experimental produjo una potencia que hoy calificaríamos de anormalmente baja, sirvió, al menos, para demostrar que la fisión del núcleo atómico del uranio podría suministrar energía controlable. Unos pocos átomos de la pila se escinden, espontáneamente, en dos partes pesadas, liberando energía y fragmentos más pequeños, entre los cuales se encuentran los neutrones.

Éstos pueden ser capturados por otros núcleos de uranio y dar lugar a nuevas fisiones nucleares.

Por cada fisión se liberan varios neutrones, de tal modo que, si al menos uno de los que se producen en cada fisión es capturado, una única fisión espontánea puede dar lugar a una reacción en cadena. Se tendría, así, una fuente de energía continua (aunque no ilimitada).

En un pequeño trozo de uranio, los neutrones se dispersan con facilidad, pues son partículas rápidas y difíciles de capturar. Cuanto mayor sea el tamaño de la pila, más grande será el número de neutrones que no escaparán de ella y que podrán ser capturados para provocar la reacción en cadena.

Con un tamaño determinado, el número de neutrones que no escapan es justamente suficiente como para mantener la reacción a un nivel estacionario. Entonces, se dice que la pila, o el reactor, es crítico.

Una disminución de tamaño haría que la reacción no tuviera lugar; un aumento brusco iniciaría una reacción en cadena explosiva, que escaparía al control humano. Las bombas atómicas se basan, precisamente, en este fenómeno.

Desde 1942 se han construido reactores de muy diversos tipos. Los primeros eran puramente experimentales. Algunos se destinaron a la producción de plutonio, para preparar bombas atómicas. Hacia la mitad de los años 50 comenzó a utilizarse a escala comercial el calor producido por reacciones nucleares, para calefacción y para obtener energía eléctrica.

La energía eléctrica que consumimos se producirá cada vez en mayor proporción a partir de la energía nuclear. Actualmente, se construyen reactores pequeños, compactos, para la propulsión de barcos, submarinos y quizá también aeroplanos, cohetes y satélites artificiales.

FUNCIONAMIENTO: Las centrales nucleares constituyen un tipo específico de instalaciones termoeléctricas; aprovechan una fuente de calor para convertir en vapor a alta temperatura un líquido que circula por una red de conductos.

El vapor acciona el grupo turbina-alternador, generando energía eléctrica. La principal diferencia entre centrales nucleares y centrales clásicas es que, en las primeras, la fuente de calor se obtiene a partir de la fisión de núcleos de uranio

Funcionamiento de una Central Nuclear

(Icnografía tomada de Icarito)

La Fisión Nuclear

Con el nombre de fisión se conoce la reacción mediante la cual ciertos nucleos de elementos químicos pesados se escinden (se fisionan) en dos fragmentos como consecuencia del impacto de un neutrón. El resultado es la liberación de gran cantidad de energía que se manifiesta en forma de calor.

Los neutrones emitidos en la reacción de fisión pueden provocar, a su vez, nuevas fisiones de otros núcleos, siempre que se den determinadas condiciones. El proceso se conoce como reaccción nuclear en cadena.

Los descubridores de la reacción nuclear de fisión fueron O. Hahn y F. Strassman, que, en 1938, detectaron la presencia de elementos pequeña masa en una muestra de uranio puro irradiada por neutrones.

Los reactores

Los reactores nucleares son máquinas preparadas para iniciar, mantener y controlar una reacción en cadena de fisión nuclear; en cierto sentido, son las «calderas» de las centrales nucleares. El combustible que se consume en las centrales nucleares es el uranio.

A diferencia de lo que ocurre en las instalaciones termoeléctricas convencionales en las primeras no se produce reacción de combustión química alguna.

El conjunto de núcleo  del reactor está contenido en un recipiente de acero de varios metros de diámetro y cuya altura supera, generalmente, los 12 m. Las paredes de la denominada vasija del reactor alcanzan espesores de 25 o 30 cm.

La vasija del reactor y el conjunto de conductos por donde circula el líquido refrigerante, denominado circuito primario se encuentran en el edificio de contención, provisto de espesos muros preparados resistir hipotéticos movimientos sísmicos y evitar el escape de radiactividad en caso de accidente. Su forma suele ser esférica y está rematado por una cúpula.

ELECCIÓN  DEL COMBUSTIBLE

El uranio natural consta, principalmente, del isótopo de peso atómico 238 (uranio 238). Pero un átomo de cada 140 es de un isótopo más ligero: uranio 235. Éste se divide en dos cuando captura un neutrón, liberando energía y varios neutrones.

El uranio 238 absorbe neutrones, pero no se escinde; a veces, el neutrón absorbido pasa a formar parte del núcleo, trasformándolo en el de otro elemento: el neptunio.

Eventualmente, tras una desintegración se convierte en el núcleo del plutonio. Éste puede experimentar una fisión, es decir, puede romperse, liberando energía. No obstante, el uranio 238 suele limitarse a absorber los neutrones, que, de otro modo, llevarían adelante la reacción en cadena.

Con ello, el uranio 235 se ve privado de los neutrones que podrían activarlo. Luego, el uranio 238 constituye un estorbo en la mayor parte de los reactores; en cambio, el isótopo 235 es el que provoca y mantiene la reacción en cadena. Existen dos tipos principales de reactores: el rápido y el térmico. En cada uno de ellos se practican distintos métodos para impedir que el uranio 238 frene la reacción.

El primer reactor nuclear de 200 vatios era térmico; en él, los neutrones rápidos, procedentes de una fisión nuclear, se veían frenados por un moderador (barras de grafito).

El grafito no captura los neutrones, pero los frena; los neutrones lentos (cuya velocidad corresponde a la temperatura del medio en que se encuentran) reciben el nombre de neutrones térmicos. El uranio 238 no absorbe los neutrones térmicos, mientras que la probabilidad de captura de los neutrones por el uranio 235 es mayor para los térmicos que para los rápidos.

La mayor parte de los reactores empleados para la producción de energía eléctrica, a escala industrial, son reactores térmicos. En los reactores rápidos se emplea uranio como combustible, pero con una mayor proporción del 235. No se emplea moderador para frenar los neutrones.

Al aumentar la proporción de uranio 235 pueden tener lugar más fisiones nucleares, que compensan la absorción por parte del 238. Éste absorbe, con facilidad, los neutrones rápidos, siempre que sean lo suíicientemente energéticos (rápidos) como para convertir el uranio 238 en plutonio.

Los reactores rápidos se emplean en la producción de energía y en la producción de nuevo combustible. De hecho, producen más combustible del que consumen.

Esto no supone, como a primera vista parece, una violación de las leyes de conservación de la masa y la energía; lo que ocurre es que parte de la energía de fisión del uranio 235 se utiliza para convertir en plutonio (átomo fisible) el 238. Los reactores térmicos son mayores que los rápidos, porque éstos no llevan moderador. Las estructuras internas de estos reactores son distintas, ya que el reactor rápido es mucho más caliente que el térmico.

Componentes de una central nuclear

Como decíamos antes el combustible de la central nuclear, que se encuentra en el núcleo del reactor está formado, habitualmente, por una mezcla de isótopos fisionables e isótopos.

Dicho combustible ha de ser un elemento fisionable que, en ausencia de neutrones se mantenga estable el mayor tiempo posible, para que pueda ser manipuleado el uranio-233, el uranio-235 y el plutonio-239 son los tres isótopos que cumplen esta condición.

Entre ellos, únicamente el uranio-235 se halla presente en la naturaleza (aunque en muy baja proporción: el 0,7% del uranio natural); los otros dos se obtienen de manera artificial, a partir del bombardeo con neutrones del uranio-238 y del torio-232, denominados isótopos fértiles. Por su parte, estos dos últimos son isótopos fisionables con neutrones rápidos.

Los neutrones que resultan liberados como consecuencia de la reacción de fisión sufrida por los elementos fisionables pueden golpear, a su vez, a los elementos fértiles, los que, por su parte, dan lugar a nuevos elementos fisionables.

En función del tipo de reactor que posea la central nuclear se empleará una clase u otra de combustible.

Los más comunes son uranio natural, óxido de uranio natural y óxido de uranio enriquecido en su isótopo 235U. Habitualmente, el combustible se presenta en forma de pastillas incorporadas en el interior de vainas de acero inoxidable, de 1 cm. de diámetro y 4 o 5 m de longitud.

Las vainas forman conjuntos de sección cuadrada o circular, denominados elementos de combustible.

El moderador es otro de los elementos básicos de la central nuclear; se trata de un mecanismo que controla la velocidad con que los neutrones impactan en nuevos núcleos de uranio.

La presencia de determinadas sustancias, como el agua pesada, el berilio, el grafito o el agua ligera aseguran este proceso. El berilio es el menos empleado, debido a su elevada toxicidad.

El tercer componente fundamental son las barras de control, que se encuentran en el núcleo del reactor.

Las barras de control permiten regular el nivel de potencia de aquél. La potencia del reactor depende del calor generado en su núcleo, que se encuentra, a su vez, en relación con el número de neutrones que se ponen en acción durante la reacción de fisión en cadena.

Cuanto menor es el número de neutrones menor es la energía calorífica y, consecuentemente, la potencia.

Si no se actúa sobre el número de neutrones que se ponen en acción durante la reacción en cadena se logra el efecto contrario. Para regular el número de neutrones, se insertan en el núcleo determinadas sustancias que los absorben parcialmente; dichas sustancias reciben el nombre de barras de control del reactor.

Cuando las barras se encuentran totalmente introducidas en el núcleo del reactor, la absorción de neutrones intensa que el proceso de reacción en cadena no continúa. A la inversa, que se van retirando, el número de neutrones que se ponen en acción se incrementa, consiguiéndose así el restablecimiento de la reacción en cadena.

Generalmente las barras de control se fabrican a partir de la aleación de cadmio con plata, se incorporan berilio y aluminio, con el objetivo de incrementar su resistencia su resistencia a la corrosión.

Es también habitual la aleación de boro con acero. La extracción del calor del núcleo y su transporte hasta el grupo turbo-alternador se realiza a través de un fluido refrigerante, que se encuentra también en el interior del núcleo, en contacto con los elementos de combustible, el moderador y las de control.

El líquido refrigerante traslada el calor generado en el núcleo, de ra directa o bien a través de un circuito secundario, hasta el conjunto turbina-alternador, retornando posteriormente al núcleo del reactor, donde comienza nuevamente y el proceso.

Como refrigerantes más habituales hay que mencionar el agua ligera, el agua pesada, el Sodio, el litio y el potasio (todos ellos líquidos), así como el nitrógeno, el helio, el hidrógeno y el dióxido de carbono (entre los gaseosos).

OTRAS INSTALACIONES

Junto al edificio de contención, las centrales nucleares poseen instalaciones destinadas a operaciones concretas. El edificio de turbinas contiene el grupo o grupos turbina-alternador. En las centrales con sistemas de refrigeración integrados por un único circuito, el edificio está protegido, puesto que el vapor que mueve los alabes de la turbina puede arrastrar elementos radiactivos.

Los reactores provistos de dos circuitos de refrigeración no precisan de este control, dado que el líquido del circuito secundario no entra en contacto con el refrigerante del reactor y, consecuentemente, no transporta elementos radiactivos.

En el recinto de manipulación de combustible se almacenan las nuevas cargas de este elemento así como combustible ya empleado, que, posteriormente, se traslada al centro de reprocesamiento para extraer de él los materiales aprovechables.

Este edificio y el de contención están interconectados para asegurar el traslado de elementos radiactivos sin salir de la zona controlada de la central, que se encuentra aislada de las restantes de dependencias.

Las centrales nucleares cuentan, asimismo, con un sistema que permite refrigerar el vapor a alta temperatura que acciona los alabes de la turbina antes de que éste retorne al reactor, donde se reinicia el ciclo productivo. Finalmente, existen en una planta nuclear edificios de salvaguardia y equipos auxiliares, donde se los sistemas de emergencia (para los casos de avería) y los sistemas auxiliares propiamente dichos (recarga del combustible, puesta en marcha del reactor, etc.

dependencias destinadas al tratamiento de aguas y al almacenamiento temporal de residuos, laboratorios, talleres y un parque eléctrico propio —empleado para las operaciones de parada segura del reactor en casos de emergencia— completan las instalaciones y edificios de una central nuclear.

Funcionamiento de una central nuclear

Una vez que se ha realizado la carga de combustible en el reactor se inicia la reacción de fisión en cadena mediante un isótopo generador de neutrones, que permite la entrada en actividad de los átomos de uranio contenidos en el combustible.

El moderador proporciona a los neutrones el nivel de energía cinética que garantiza la Continuidad de la reacción en cadena. Las barras de control se introducen en el núcleo del reactor en mayor o menor medida, para absorber más o menos neutrones y mantener el grado de Potencia adecuado.

Las continuas reacciones de fisión que se verifican en el núcleo determinan grandes cantidades de energía en forma de calor.

Esta energía calorífica eleva la temperatura del fluido refrigerante que circula por la red de conductores A partir de aquí, en función del tipo de reactor, el proceso varía.

En los reactores de agua a presión, el fluido (agua ligera) circula de manera continua por un circuito primario cerrado, que conduce el refrigerante hasta el generador de vapor. Allí, el fluido a elevada temperatura convierte en vapor el agua que circula por un circuito secundario también cerrado. El agua del primer circuito no entra nunca en contacto con la del segundo.

Por su parte, el vapor de agua del circuito secundario es enviado al grupo o grupos turbina-alternador En los reactores de agua en ebullición sólo existe un circuito; el propio refrigerante se convierte en vapor por efecto del calor, en la misma vasija, y es enviado al grupo turbina-alternador tras accionarlo, el fluido se refrigera y se condensa de nuevo, para volver al núcleo y reiniciar el proceso.

En ambos casos, el vapor mueve los alabes , la turbina y el alternador unido a ella generando energía eléctrica como resultado de un ciclo termodinámico convencional.

En los reactores de agua a presión, el fluido refrigerante, una vez que ha vaporizado el agua del circuito secundario, retorna al núcleo del reactor El vapor, tras accionar el grupo turbina-alternador es enfriado nuevamente y vuelve a su estado líquido, para pasar inmediatamente por una batería de precalentadores. A continuación retorna al generador de vapor, para repetir el ciclo.

V

PARA SABER MAS…
ELECCIÓN DEL REFRIGERANTE
El refrigerante absorbe el calor para cederlo en un cambiador de calor, donde, si lo que se pretende es obtener energía eléctrica, se calienta un vapor para accionar los generadores eléctricos. El refrigerante se hace circular para que, después de haber entregado el calor, vuelva al reactor, a calentarse nuevamente y repetir el ciclo.

Conviene usar el mismo refrigerante una y otra vez, porque se contamina de radiactividad, y el manejo de sustancias contaminadas resulta bastante costoso. Como refrigerante, suele utilizarse el anhídrido carbónico, pero el uso del agua y del agua pesada es también frecuente. Todos estos productos pueden emplearse en reactores térmicos.

Los reactores rápidos plantean problemas de refrigeración algo mayores. El reactor es, de por sí, compacto; hay poco espacio para el refrigerante, y éste debe ser de mayor capacidad térmica (aptitud para almacenar calor) y mayor conductividad térmica que los gases y líquidos utilizados en los reactores térmicos. Para refrigerar reactores rápidos se emplean metales, como el sodio y el potasio, en estado líquido. Por su parte, estos metales plantean problemas de ingeniería, pues son muy corrosivos.

MODERADORES
Los moderadores sólo se usan en los reactores térmicos lentos. Los neutrones que salen de los núcleos de uranio 235 escindidos chocan con los átomos del moderador. Los mejores moderadores poseen dos propiedades: no absorben neutrones (que se limitan a rebotar en los átomos del moderador) y son de sustancias relativamente ligeras.

Cuanto más ligeros son los átomos del moderador, mayor es la energía que ceden los neutrones al chocar con ellos; por tanto, serán necesarias menos colisiones con los átomos moderadores para alcanzar velocidades térmicas. El grafito es el moderador más usado.

En algunos reactores, el combustible se disuelve en el moderador (que también actúa como refrigerante). El combustible está formado por sulfatos o nitratos de óxido de uranio, y el refrigerante —a la vez, disolvente y moderador—, es agua o agua pesada.

CONTROL DE LA REACCIÓN
La clave de todas las reacciones nucleares en cadena reside en el flujo de neutrones. Cuando éste aumenta, la reacción se acelera (incluso puede escapar al control); cuando disminuye, la reacción puede frenarse tan aparatosamente como en el caso anterior. Las válvulas de seguridad de los reactores nucleares son barras de boro o cadmio. Ambas sustancias absorben neutrones. Al introducir las barras, la reacción se frena; al sacarlas del reactor, se acelera.

Pero, en una reacción en cadena, las reacciones pueden tener lugar muy de prisa. Si el número de neutrones que desencadenan nuevas fisiones aumenta en sólo un 1 %, se produce tal cantidad de colisiones por segundo que el número de neutrones del reactor puede aumentar 25.000 veces cada segundo. La variación del número de neutrones debe, pues, detectarse y regularse muy rápidamente.

Tal velocidad en el aumento del número de neutrones es, virtual-mente, imposible de controlar. De hecho, todos los reactores nucleares habrían explotado hace mucho tiempo, si no fuese por un pequeño 0,8 % de neutrones a los que les lleva algún tiempo desprenderse del núcleo escindido. Por término medio, este 0,8 % del total de neutrones tarda 10 segundos en ser emitido, lo que deja margen suficiente para la detección y la regulación.

Los neutrones son aún más veloces en un reactor rápido. Por ello, sorprende que el reactor rápido se controle, virtualmente, a sí mismo. Ocurre, sin embargo, que existe un equilibrio entre la velocidad de los neutrones, la temperatura del reactor y la mayor o menor facilidad con que el uranio 235 absorbe mejor los neutrones lentos que los rápidos. Cuando el reactor se calienta y los neutrones se aceleran, el uranio 235 los absorbe en menor cantidad, la reacción en cadena se detiene, el reactor se enfría, los neutrones se frenan y se restablece la situación de equilibrio.