Una
central nuclear, compuesta esencialmente de un reactor, un circuito recorrido por un fluido, un cambiador
de calor y un turboalternador, funciona de manera similar a las centrales
térmicas, pero el procedimiento seguido
para calentar el agua es distinto ya que la energía necesaria para elevar la temperatura
se produce mediante el empleo de un combustible nuclear y no por la combustión
de carbón o de hidrocarburo.
Cabe
señalar que la instalación de un reactor nuclear es actualmente de un costo muy
elevado, aunque el combustible resulta más económico que los millones de
toneladas de carbón o de fuel oil requeridos por las centrales térmicas.
Fisión nuclear
En
1939, se descubrió que el núcleo de uranio podía escindirse y que esta fisión
producía al mismo tiempo una gran cantidad de energía y la emisión de
electrones capaces de desintegrar otros núcleos. Una serie de investigaciones
realizadas a partir de esa fecha, permitió demostrar en 1942 que era posible
tener una reacción en cadena con una cantidad mínima de este metal masa
crítica). Al poner en contacto varios bloques de uranio 235, isótopo físil
, para alcanzar esta masa, igual a unos 15 kilogramos, se provocaba una
reacción explosiva, que constituye el principio mismo de la bomba atómica.
Preparación del combustible
La
preparación del combustible y de los otros materiales necesarios para el
funcionamiento de los reactores es muy compleja. El mineral de uranio se
concentra y se purifica mediante una serie de operaciones químicas, efectuadas
en primer lugar por la vía líquida y luego en seco, para obtener fluoruro
gaseoso o lingotes. El metal que compone estos últimos tiene una densidad de
18.9 y se presenta en estado natural como una mezcla de tres isótopos,
diferenciados entre si por los números de masa atómica que poseen (238, 235 y
234).
Debido
a la mayor radiactividad, el 235 es el mas utilizado pero solo representa el
0.7 por ciento del metal. En los reactores se emplea el uranio natural o
el enriquecido. El porcentaje de isótopos 235 de este ultimo es dos o
tres veces mayor, pero la separación de los mismos constituye una operación
difícil y costosa, que se realiza industrialmente por difusión gaseosa o por
ultracentrifugación. El primer procedimiento se basa en que dos cuerpos de
masa atómica diferente se difunden, a velocidades también distintas, a través
de una pared porosa. El hexafluoruro de uranio es un gas que se enriquece muy
poco en isótopo 235 al pasar por un filtro, y debe, por tanto, utilizarse un
gran número de estas membranas porosas. Este sistema encierra considerables
dificultades prácticas de realización, necesita unas instalaciones muy costosas
y requiere demasiado tiempo.
El
segundo método llama ultracentrifugación, consiste en separar los isótopos por
medio de aparatos que giran a altas velocidades para crear fuerza centrífuga.
El
uranio tratado que se emplea en la central se presenta generalmente en forma de
barras revestidas de acero inoxidable o de una aleación de metales especiales
(zirconio, berilio), que han de fabricarse con gran cuidado dado su carácter
peligroso.
Otros combustibles y moderadores
Además
del uranio, pueden usarse como combustibles nucleares el plutonio y el torio.
El primero, que se separa del uranio por
procedimientos químicos bastante complicados, es un metal que tiene varios
isótopos, dos de los2€les, con masas atómicas 239 y 240, no existen en la
Naturaleza y se forman en los reactores nucleares. Sus características como
combustible nuclear lo hacen en ciertos casos más útiles que el uranio, a pesar
de presentar un elevado índice de toxicidad. El segundo, de uso muy reciente en
las centrales nucleares tiene numerosos isótopos, algunos de los cuales son
radiactivos.
En
las centrales nucleares son también muy importantes, para mantener la reacción,
los moderadores de neutrones, como el grafito, el agua ordinaria y el
agua pesada. Esta última, derivada de la ordinaria, es tóxica para los seres
vivos y está formada por moléculas en las que el hidrógeno ha sido sustituido
por el isótopo pesado de éste, denominado deuterio.
Funcionamiento de un reactor
Un
neutrón libre choca en el reactor con un átomo pesado de la materia
físil o combustible nuclear y lo desintegra en dos o más fragmentos. Esta
escisión lleva aparejada la producción de otros tantos núcleos de átomos más
ligeros y la emisión de varios neutrones libres. La suma de las masas de los
nuevos núcleos y de los neutrones libres es mas pequeña que la masa inicial del
núcleo físil, y una parte de la materia se convierte en radiaciones que
engendran un calor aprovechable.
Los
neutrones liberados en la desintegración provocan a su vez la fisión de otros
átomos pesados y la correspondiente emisión de nuevos neutrones. Este proceso,
que se desarrolla automáticamente, se llama desintegración en cadena.
Cuando los neutrones se proyectan con tal rapidez que algunos de ellos
atraviesan la materia físil sin desintegrar los átomos que la forman, la
reacción puede llegar a extinguirse y recibe el nombre de reacción
convergente. Por el contrario si todos los neutrones provocan una fisión,
se llega a un rápido aumento de las desintegraciones, acompañado de un gran
desprendimiento de calor y del riesgo de que se produzca la explosión del
reactor, verificándose entonces la denominada reacción divergente.
Así,
con objeto de obtener un número constante de desintegraciones, es decir,
mantener de este modo un determinado régimen en el funcionamiento del reactor,
es necesario frenar los neutrones y regular el número de impactos con los
núcleos físiles, para que cada uno de éstos,
al estar desintegrado, de un neutrón desintegrador en lo que se califica con el
nombre de reacción crítica.
Estructura de un reactor
Un
reactor nuclear se puede descomponer de la siguiente manera:
a).-
El combustible nuclear, constituido sobre todo por uranio natural o
uranio enriquecido en forma, casi siempre, de barras o rodajas, revestidas de
otro metal,
b).-El
moderador, sustancia, como el agua pesada, el grafito y el óxido de
berilio en la cual se encuentran las barras de combustible y que tiene la
propiedad de frenar los neutrones rápidos para hacer así posible la fisión,
c).- El
reflector, masa fabricada generalmente con los mismos materiales que el
moderador, que rodea los dos elementos anteriores y limita la salida de
neutrones,
d).- las
barras de control, absorbentes de neutrones y, por consiguiente, reductoras
del número de desintegraciones que regulan la reacción. Son casi siempre de
cadmio, boro y hafnio,
e).- El
fluido refrigerante que, al circular por los elementos anteriormente
descritos, permite la evacuación del calor engendrado por la reacción en
cadena. Los más corrientemente empleados son el agua y el gas carbónico.
f).-
El blindaje biológico, protección metálica y de hormigón armado
alrededor de todo el conjunto para impedir la difusión de radiaciones
ionizantes capaces de dañar a las personas que trabajan en el reactor.
g).-
Un sistema automático de carga y descarga, para que el combustible,
peligrosos por su radiactividad, no haya de ser manipulado por los operarios.
h).-
Un sistema de canales que permite la introducción en el reactor de
sustancias que se quieren irradiar o someter a distintas clases de
experimentos.
Tipos de reactores
Existen
varios tipos de reactores diferentes entre si según el uso a que se destinen, y
se aprovechan los constantes progresos tecnológicos para encontrar nuevos
modelos que sobrepasen en rendimiento y eficacia a los hasta ahora conocidos.
Entre los mas corrientes cabe citar el reactor homogéneo, donde el
moderador y el combustible se hallan mezclados, y el reactor de plutonio, que
produce este elemento y es también regenerador, porque proporciona
materias físiles mediante el bombardeo, por neutrones, de materias fértiles.
Algunos de estos últimos se denominan reactores súper regeneradores al
dar una cantidad de material físil superior a la que ellos mismos consumen.
Hay, así mismo, el reactor de potencia, utilizado para obtener electricidad o
calor destinado a la calefacción urbana o a la potabilización del agua de mar
mediante el procedimiento de destilación. El fluido refrigerante que circula
por él alcanza elevadas temperaturas y
atraviesa un cambiador, en el cual calienta otro fluido, constituido
generalmente por agua. Ésta se transforma en forma de vapor a las turbinas, a
los turboalternadores de centrales eléctricas, a las instalaciones de
calefacción urbana, etc.
Presente y futuro de las centrales nucleares
Las
centrales nucleares se construyen cada vez en mayor número y todos los países
tratan de acelerar los programas de inversiones para poder contar con ellas.
Los Estados Unidos son los que mas tienen, seguidos por Gran Bretaña y Francia.
España posee algunas ya en funcionamiento en Zorita (Guadalajara (, Vandellós
(Tarragona) y Santa María de Garona (Burgos), o en construcción en Almaraz
(Cáceres), Lemonis (Vizcaya), Ascó (Tarragona) y Cofrentes (Valencia), y
existen proyectos avanzados, lo mismo que en las naciones latinoamericanas,
para instalar otras.
El
consumo de electricidad se duplica cada diez años, mientras que las reservas de
carbón o de fuel son limitadas y se concentran en determinadas áreas
geográficas, de tal modo que la distribución
de éstas depende demasiado de
factores políticos y económicos. Semejantes motivos reafirman por si solos el
interés creciente despertado por la energía nuclear y la certeza de que en un
futuro no muy lejano el mayor porcentaje
de electricidad consumida procederá de las centrales atómicas. No debe
olvidarse, sin embargo, que la eliminación de los residuos radiactivos, con sus
peligros ecológicos, plantea un problema difícil de resolver
satisfactoriamente.
(Véase Centrales Térmicas)
Referencias:
-Enciclopedia Metódica Larousse
