¿Qué es una planta nuclear?

Planta nuclear Angra, en Río de Janeiro, Brasil

Una planta nuclear es una instalación industrial empleada para la generación de energía eléctrica a partir de energía nuclear.

La energía nuclear es la energía almacenada por la estructura interna del átomo: el núcleo. Esta energía puede ser liberada por reacciones nucleares exotérmicas, como en el caso de la Fisión Nuclear (división de núcleos atómicos pesados), donde una fracción de la masa es transformada en energía. En relación a la liberación de energía, una reacción nuclear es un millar de veces más energética que una reacción química.

Se caracteriza por el empleo de combustible nuclear compuesto básicamente de material fisionable que mediante reacciones nucleares proporciona calor que a su vez es empleado para producir el movimiento de alternadores que transforman el trabajo mecánico en energía eléctrica.

Proceso de producción del combustible nuclear.

Fabricación del combustible nuclear (utilizado por los reactores PWR y BWR)

El combustible nuclear utilizado por los reactores de agua a presión (PWR) y de agua en ebullición (BWR) se fabrica a partir del uranio natural. Para poder utilizar el uranio en un reactor nuclear es necesario realizar una serie de procesos químicos y físicos para convertirlo desde la forma mineral en que se encuentra en la naturaleza a los pellets de óxido cerámico que se cargan en el núcleo de un reactor nuclear.

 Mineral de uranio,
 principal materia prima
 del combustible nuclear.

Yellow cake (Torta amarilla)
forma en la que el uranio se
transporta a la planta de
enriquecimiento.

UF6
(hexafluoruro de uranio)
utilizado para el
enriquecimiento.

Combustible nuclear.
Sólido, compacto,
químicamente inerte
e insoluble.

Diseño de una planta nuclear

Las centrales nucleares constan principalmente de cuatro partes:
- El reactor nuclear, donde se produce la reacción nuclear.

- El generador de vapor de agua (sólo en las centrales de tipo PWR).
- La turbina, que mueve un generador eléctrico para producir electricidad con la expansión del vapor.
- El condensador, un intercambiador de calor que enfría el vapor transformándolo nuevamente en líquido.

El reactor nuclear es el encargado de realizar la fisión o fusión de los átomos del combustible nuclear, como uranio, generando como residuo el plutonio, liberando una gran cantidad de energía calorífica por unidad de masa de combustible.

El generador de vapor es un intercambiador de calor que transmite calor del circuito primario, por el que circula el agua que se calienta en el reactor, al circuito secundario, transformando el agua en vapor de agua que posteriormente se expande en las turbinas, produciendo el movimiento de éstas que a la vez hacen girar los generadores, produciendo la energía eléctrica. Mediante un transformador se aumenta la tensión eléctrica a la de la red de transporte de energía eléctrica.

Después de la expansión en la turbina el vapor es condensado en el condensador, donde cede calor al agua fría refrigerante, que en las centrales PWR procede de las torres de refrigeración. Una vez condensado, vuelve al reactor nuclear para empezar el proceso de nuevo.

Las centrales nucleares siempre están cercanas a un suministro de agua fría, como un río, un lago o el mar, para el circuito de refrigeración, ya sea utilizando torres de refrigeración o no.

Central con un reactor de agua a presión (PWR)

1- Edificio de contención. 2- Torre de refrigeración. 3- Reactor. 4- Barras de control. 5- Acumulador de presión. 6- Generador de vapor. 7-Combustible nuclear. 8- Turbina. 9- Generador eléctrico. 10-Transformador. 11- Condensador. 12- Vapor. 13- Líquido saturado. 14- Aire ambiente. 15- Aire húmedo. 16- Río. 17- Circuito de refrigeración. 18- Circuito primario. 19- Circuito secundario. 20- Emisión de aire húmedo (con vapor de agua). 21- Bomba de vapor de agua.

Central nuclear de Ikata, con tres reactores de agua a presión (PWR). La
refrigeración se realiza mediante un intercambio de agua con el océano.

Ventajas y desventajas del uso de la energía nuclear

En los últimos años el planeta ha venido sufriendo distintos cambios, muchos de ellos graves,  entre ellos el cambio climático. Este problema, a pesar de ser ocasionado por la actividad humana, está afectando la vida no 

sólo de  las personas, sino también de ecosistemas, plantas, animales, y poniendo en grave riesgo la biodiversidad. Como  causante principal de éste fenómeno, el ser humano debe responsabilizarse y encontrar alternativas más sustentables para la realización de sus diferentes actividades. Como es sabido, los gases de efecto invernadero, principalmente el CO2 como residuo de los combustibles fósiles utilizados para actividades humanas, es uno de los principales contribuyentes al cambio climático. Debido a esto, se ha planteado la necesidad de la creación y utilización de formas de energía más limpias y más sustentables. Una de ellas es la energía nuclear, que a pesar de ser considerada una fuente alternativa, está en medio de un  debate debido a las connotaciones negativas que se le dan debido a su uso como arma de destrucción masiva tras las bombas en Hiroshima y Nagasaki, y a su relación con enfermedades como el cáncer.

El tema “nuclear” es bastante polémico, pues es considerado un instrumento de avance, tecnología y bienestar, pero al mismo tiempo es considerado un potente destructor  (Nieto-Galán, 2004). El debate sobre el uso de la energía nuclear gira en torno a su alta inseguridad con respecto al medio ambiente por la radiación y los desechos radiactivos de alta actividad (Castejón, 2004), así como a los posibles daños a la salud.

¿Qué países utilizan energía nuclear?

La energía nuclear a sido utilizada por diversos países a lo largo de su historia , algunos buscan hacerlo con fines pacíficos y científicos en cuanto otros piensan utilizarlo de de otras maneras tanto negativas como positivas, los 10 países mas importantes que hoy por hoy cuentan con plantas nucleares dentro de su territorio son, Hungría, Suiza, Armenia, Eslovenia, Suecia, Ucrania, Bélgica, Eslovaquia y Lituania

HUNGRÍA
Sesenta millas al sur de Budapest, una vieja planta nuclear abastece el 37% de la electricidad de Hungría. Sus chimeneas gemelas de color rojo y blanco brillan frente al débil horizonte energético de este país. Los húngaros ni tan siquiera pueden permitirse extraer sus propios depósitos de uranio y deben importar el combustible nuclear de Rusia. De acuerdo a la Comisión Energética Europea, el desarrollo de la energía solar y de la energía eólica es prácticamente inexistente en Hungría. Y el poderoso Danubio fluye inactivo a través del paisaje húngaro, incapaz de mover las turbinas de la producción hidroeléctrica. Ante una situación desoladora de deuda, Hungría espera que la electricidad nuclear barata le ayude a situarse en una mejor posición económica.

SUIZA
Este país montañoso era el paraíso de la hidroelectricidad hasta que el calentamiento global empezó a afectar sus glaciares. Ahora, el 39% de la electricidad de Suiza proviene de la energía nuclear. Mientras que el hielo alpino continúe derritiéndose, los nuevos reactores seguirán asentándose en las pintorescas laderas de las montañas, de acuerdo con la Secretaría General Suiza.

ARMENIA
Considerado uno de los reactores más peligrosos del mundo por el Departamento de Energía de los Estados Unidos, el complejo nuclear Metsamor abastece el 40% de la electricidad de Armenia. Un terremoto cerró Metsamor en 1998 pero se reabrió en 1995 cuando se llevaron a cabo las reformas de seguridad. La empobrecida Armenia prometió clausurarlo en el 2004 pero la decisión fue revocada. ¿La causa? Los 280 millones que costaría desarmar Metsamor, mantiene la Asociación Nuclear Mundial. Mientras tanto, Armenia ha invitado a su ex enemiga Turquía a construir un reactor nuevo en las tierras de Metsamor.

ESLOVENIA
Una central nuclear de Westinghouse abastece el 41% de los 14 mil millones de kilovatios anuales la hora de Eslovenia. De hecho, Eslovenia genera tanta electricidad que vende seis mil millones de kilovatios la hora a sus vecinos.

SUECIA
El 41% de la electricidad de Suecia proviene de la energía nuclear. A pesar de que sus tres plantas son la envidia de la industria nuclear de Europa, los suecos se muestran ambivalentes sobre las bombas nucleares. En 1980, los suecos votaron para eliminar sus reactores existentes. Sin embargo, en el 2009 Suecia sorprendió al mundo anunciando nuevos planes para aumentar su capacidad nuclear.

UCRANIA
Bajo la nube de Chernobyl que según la ONU dispersó cientos de veces el polvillo radioactivo de las bombas de Hiroshima y Nagasaki sobre Europa y Norteamérica, los reactores nucleares propensos a las fugas todavía se mantienen activos, proporcionando el 47% de los anuales 182 mil millones de kilovatios la hora del país. ¿Pero qué es lo que mantiene a Ucrania alejada de la electricidad atómica? Un clima miserable y una ex patria llamada Rusia que amenaza con cortarle el suministro de gas cada invierno. Sin embargo, Ucrania tiene uranio. De acuerdo con la WNA, Ucrania conseguirá todo el uranio que necesita para el año 2013.

BÉLGICA
El 54% de la electricidad de Bélgica proviene de la energía nuclear a pesar de la tormentosa relación de los belgas con sus siete reactores. En 1999, Bélgica anunció que eliminaría su programa nuclear de 40 años de duración, pero éste fue resucitado en el año 2000. Otra resolución libre de energía nuclear fue anunciada en el año 2003 aunque para el 2007 Bélgica reanudaba de nuevo los planes para la producción nuclear a largo
plazo. De acuerdo a la Comisión de Energía Belga, apagar los reactores doblaría la factura de la electricidad de los belgas y empeoraría sus emisiones de gas invernadero.

ESLOVAQUIA
La dependencia de electricidad generada por la energía nuclear es enorme en Eslovaquia. Y este país está incorporando dos reactores a su ya existente planta de cinco. (Un accidente fatal en 1977 dejó inoperativa su sexta planta). Preocupada por la seguridad, la Unión Europea solicitó la clausura de dos viejos reactores de Eslovaquia. Todo ello a pesar de que los eslovacos se dedicaron en los años 90 a mejorar estos reactores invirtiendo la escalofriante suma de 300 millones de dólares. Eslovaquia aceptó la decisión aunque nuevamente está planeando abrir las plantas. ¿Lo hará apoyándose en una futura economía nuclear doméstica? Por otra parte y desde 1986, Eslovaquia ha estado bombeando sus desechos radioactivos en charcas de almacenaje, un problema evidente para un país dos veces el tamaño de Vermont.

LITUANIA
Infeliz por la necesidad del gas natural ruso, Lituania dependió hasta el año 2009 de un viejo y único reactor, el Ignalina. Ahora, para evitar regresar a los denominados “Tiempos Oscuros”, este país intenta conseguir una nueva generación de reactores en línea para el año 2018. Manteniendo una estrecha y excelente relación con Latvia, Estonia y Polonia, Lituania espera reunir los billones necesarios que se requieren para el arranque nuclear.

Accidentes nucleares

Un accidente nuclear, dependiendo de la gravedad, se denomina a la emisión involuntaria y accidental de materiales radioactivos o un nivel de radiactividad susceptible de perjudicar la salud.
          Se clasifica de accidente nuclear en función de su gravedad y de sus consecuencias sobre la población y el medio ambiente, debido a la perdida de una fuente radioactiva, o bien por dispersión  involuntaria o voluntaria de sustancias radioactivas en el medio ambiente.
          Existe una escala internacional denominada ESCALA INES (Escala Internacional de Accidentes nucleares) para medir la gravedad de un acontecimiento, hay 7 niveles dependiendo de su gravedad.

Sucesos de accidente nucleares
El accidente nuclear mas conocido y uno de los de mayor gravedad es el de Chernóbil, en Ucrania, el 26 de Abril de 1986. Es denominado un accidente nuclear de grado 7 es el más grave según la escala internacional de accidentes nucleares y uno de los mayores desastres medioambientales de la historia

Estructura de hormigón denominada "sarcófago", diseñada para contener el material radiactivo del núcleo del reactor y que fue diseñado para una duración de 30 años

¿Qué provocó el accidente?
Aquel día, durante una prueba en la que se simulaba un corte de suministro eléctrico, un aumento súbito de potencia en el reactor 4 de esta central nuclear, produjo el sobrecalentamiento del núcleo del reactor nuclear, lo que terminó provocando la explosión del hidrógeno acumulado en su interior. La cantidad de dióxido de uranio, carburo de boro, óxido de europio, erbio, aleaciones de circonio y grafito expulsados, tres materiales radiactivos y/o tóxicos que se estimó fue unas 500 veces mayor que el liberado por la bomba atómica arrojada en Hiroshima en 1945.

El accidente nuclear de Fukushima, en Japón, el 11 de marzo de 2011 tuvo un nivel de gravedad 7 al igual que el accidente de Chernóbil en Ucrania , fuerón denominados los dos mas grandes accidentes nucleares de la historia.


Los primeros fallos técnicos se registraron en el mismo día en que se produjo el sismo, el 11 de marzo, con la parada de los sistemas de refrigeración de dos reactores y de cuatro generadores de emergencia. A consecuencia de estos incidentes, han surgido evidencias de una fusión del núcleo parcial en los reactores 1, 2 y 3; explosiones de hidrógeno que destruyeron el revestimiento superior de los edificios que albergan a los reactores 1,3 y 4; una explosión dañó el tanque de contención, en el interior del reactor 2 ; han ocurrido múltiples incendios en el reactor 4. Además las barras almacenadas de combustible nuclear gastado en las piscinas de combustible gastado de las unidades 1-4, comenzaron a sobrecalentarse cuando los niveles de las piscinas bajaron. El reactor 3 emplea un combustible denominado "MOX", formado por una mezcla de uranio más plutonio que lo hace especialmente peligroso. El miedo a filtraciones de radiación llevó a las autoridades a evacuar un radio de 20 km alrededor de la planta, extendiendo luego este radio a 30 y posteriormente a 40 km.

Imagen de Satélite el 16 de marzo de los cuatro edificios del reactor dañado

Otros accidentes.
. 1957, Mayak (Rusia) magnitud 6 según la escala INES
. 1957, Windscale (Gran Bretaña) magnitud 5 según la escala INES
. 1979, Three Mille Island (EE.UU.) magnitud 5 según la escala INES
. 1987, Accidente radiológico de goiania (Brasil) magnitud 5 según la escala INES
. 1999 tokaimura (Japón), magnitud 4 según la escala INES

Procesos de fisión nuclear

La fisión nuclear consiste en la división de núcleos "pesados", que poseen excesiva 

 cantidad de protones y neutrones.
para lograr fisiones se bombardean, por ejemplo, núcleos de uranio-235 ("combustible" nuclear) con neutrones. al impactar adecuadamente un neutrón en el núcleo de uranio, este se divide en dos núcleos mas pequeños, liberando neutrones y gran cantidad de energía.

Representación de una fisión nuclear con el modelo de partículas

Si los neutrones liberados impactan contra otros núcleos de uranio-235 estos también se fisionan produciendo mas neutrones y mas energía. Así la reacción puede repetirse y multiplicarse. Este fenómeno se conoce como reacción en cadena. puede ser controlada mediante generadores en un reactor nuclear o incontrolada como sucede con las armas nucleares.
En los rectores nucleares se producen y controlan fisiones nucleares que generan energía, la que es transformada en energía eléctrica.

Las armas nucleares provocan desastres
de tal magnitud que sus consecuencias
perduran por varias generaciones

La siguiente ecuación representa un ejempo de reacción de fisión nuclear:
n + U → Kr + Ba + 3n + energía

Esta ecuacion indica que cuando un neutrón bombardea un núcleo de uranio-235 lo fusiona formando dos núcleos mas pequeños (kripton-93 y bario-140) y 3 netrones, liberandose ademas energia.

Desechos radiactivos
vitrificados

Los núcleos formados son radionucleidos muy contaminantes. Una desventaja de este proceso radica justamente en los desechos radiactivos que se porducen y deben ser descartados cuidando que no contaminen el medio ambiente ya que su actividad puede perdurar durante miles de años.

Fusión nuclear

Representación de una fusión nuclear.
en este ejemplo el deuterio y el tritio se
fusionan formando helio y un neutrón
además liberan energía

La fusión nuclear se produce cuando nucleos pequeños se unen a elevadísima temperatura liberando gran cantidad de energía.

La siguinete ecuacion representa en ejemplo de fusion nuclear:

Fusión en el Sol. Las estrellas mueren  cuando
su "combustible"se agota. Una estrella alcanza
su mayor tamaño cuando todo su hidrógeno
central se ha transformad en helio y para seguir
brillando la temperatura del centro debe aumentar
lo suficiente como para provocar la fusión de
estos núcleos de helio.

La energía solar resulta de la fusión de núcleos de hidrogeno, obteniendose He.

Se ha estudiado este proceso tratando de reproducir la fusión que ocurre naturalmente en el Sol y demás estrellas para obtener energía "limpia" ya que los núcleos obtenidos de He no son radiactivos.

Sin embargo, una desventaja que hoy lo vuelve inaplicable, es la elevada temperatura que se necesita para lograr la unión de los núcleos. Solo se ha alcanzado esta temperatura recurriendo previamente a una fisión nuclear, por lo tanto esta dependencia no resulta conveniente.

Las ventajas de la fusión sobre la fisión son que no se producen tantos residuos radiactivos, no precisa de un combustible no renovable y tan escaso como el uranio y se liberan unas diez veces mas energía.

Interior del reactor de fisión "Tokomak"

En la actualidad, la investigación alrededor de la fusión nuclear es intensa, y      se espera que a mediados de siglo las centrales basadas en la fusión nuclear      ya sean una realidad.

   El Tokomak, fue diseñado como reactor de fisión nuclear pero los intentos        han fracasado y la investigación continúa.