Ciencias de la Tierra y Medioambientales

El planeta Tierra

Recursos: Energía nuclear

Obtención de energía por el calor producido en reacciones nucleares.
Las reacciones nucleares trasforman parte de la masa de los átomos en energía


La energía obtenida se basa en la atracción entre los componentes de los núcleos atómicos (protones y neutrones) por la fuerza nuclear fuerte (gluones).
Los núcloes más estables tienen aproximadamente el mismo número de protones y neutrones, aumentando estos últimos en los núcleos más pesados y los de menor energía son elementos próximos al hierro Z=26

Elementos más pesados se pueden fisionar y rendir energía y los más ligeros se pueden fusionar y rendir energía. La diferencia es considerablemente mayor en este segundo caso.

La energía de fusión es la que mantiene estables a las estrelllas emitiendo luz durante millones de años

Los elementos pesados han sido creados en explosiones estelares (supernovas) y son muy escasos comparados con los de masas menores y los del grupo del hierro.

La energía nuclear más utilizada se basa en la fisión de elementos pesados Uranio y Plutonio en centrales y armamento, y otros isótopos pesados como el Radio en medicina y otros usos.

La fusión nuclear solo es viable actualmente como arma. Bomba H


Usos

La energía nuclera se puede utilizar para:

  • Energía
    • Centrales energéticas
    • Buques
  • Medicina
  • Investigación
  • Uso armamentístico

Centrales nucleares de fisión

 

Utilizan uranio como combustible.
El uranio es un elemento pesado
Existen diversos isótopos. Los más abundantes en la Tierra son
- U-238 - 99.3 % con un periodo de semidesintegración de 4.000 m.a.
- U-235 - 0.7 % con un periodo de semidesintegración de
Su desintegración genera grandes cantidades de energía
Un camión cargado de combustible nuclear equivale a un petrolero de 300.000 t de petróleo
Combustible
Energía
(MJ/Kg)
Madera
16
Carbón
10 - 30
Petróleo
40 - 50
Gas natural
39
Uranio
En reactores de agua ligera
500.000
Para las centrales nucleares de fusión utilizan de combustible UO2
Generalmente hace falta una concentración de U-235 de un 4 ó 5% para que puedan producirse reacciones en cadena
El uranio ha de enriquecerse en este isótopo. Parta ello se recurre a plantas enriquecedoras de uranio
      • Se convierte el mineral de uranio en UF6 que puede sublimarse para su separación
      • Se procede a la separación de los isótopos.Los métodos son variados
        Filtrado de UF6 en cribas en las que pasa mejor el U-235 por tener un volumne algo menor
        Centrifugación. Se basa en la menor masa del U-235. Más económico que el anterior
      • Se vuelve a convertir en UO2
      • Se fabrican los elementos combustibles
        Tienen diferentes formas aunque suelen agruparse en pastillas que forman barras
Las plantas de enriquecimiento de uranio son caras y escasas.
Se encuentran en Estados Unidos, Francia, Reino Unido, Rusia y Japón
Su utilización puede dar lugar a la material para fabricar armas nucleares (90% U-235) por lo que existen presiones para que ningún país más tenga esta tecnología .

En las centrales nucleares se realiza una reacción en cadena controlada
Se introducen barras de combustible separadas por barras de control en una cubeta con un moderador.
La carga de una central se realiza cada 18 a 24 meses con una carga de 25 t de UO2

Residuos

Tras fusionarse el material nuclear genera una serie de productos variados algunos radioactivos y otros no pero los radioactivos producidos contaminan el material con el que han entrado en contacto.

Estos residuao puede reciclarse en parte para generar nuevo material utilizable en las centrales pero su tratamiento es peligroso por ser altamente radioactivas. Especialmente el transporte
Existen centrales nucleares de diseño especial que pueden reprocesar parte de estos residuos .

Se utilice o no este material, finalmente se generan residuos radiactivos que hay que almacenar durante miles de años.

El desmantelamiento de las centrales, una vez cumplida su vida útil, genera también miles de toneladas de residuos contaminados que deben aislarse

El alamacenaje definitivo presenta problemas pues debe construirse un cementerio de desechos nucleares que:

- Sea una estructura geológicamente estable durante miles de años
- Ausencia de corrientes de agua subterránea que puedan arrastrar los materiales radioactivos

- Esté alejada de zonas pobladas por el riesgo de escape radioactivo (muy improbable pero de gran impacto)

El procesado de los residuos es el siguiente:

  1. Se almacenan en las propias centrales en piscinas para evitar fugas
  2. Se sellan en barriles con hormigón
  3. Se trasladan a los cementerios

La ausencia de cementerios nucleares definitivos hace que muchas centrales acumulen grandes cantidades de residuos radiactivos.
En algunos casos han de almacenarse en otras centrales al estar saturadas las productoras

Mapa de localización de las centrales nucleares

Ventajas de la energía nuclear de fisión

  • Gran concentración de energía. Poco volumen de almacenamiento
  • No emite CO2
  • Recursos relativamente abundantes

Inconvenientes

  • Peligrosidad de los vertidos radiaoactivos
    Los accidentes en centarles nucleares pueden afectar a miles de personas y dejar sin uso terrotorios durante centenares de años
  • Peligrosidad del traslado de combustible y residuos
  • Dificultad en la eliminación de los residuos
  • Poencial fuente de armas nucleares
  • Complejidad de las centrales
  • Energía no renovable

Centrales nucleares de Fusión

La reacción de fusión nuclear genera aún más energía que la de fisión
Aún no se han conseguido reactores viables econoómicamente

La fusión nuclear necesita temperaturas muy elevadas y concentraciones altas de los átomos a fusionar H-2

Ha habido diferentes líneas de investigación para coseguirlo
Las más prometedoras son la implosión mediante rayos láser y el confinamiento magnético


La más prometedora, que ya ha conseguido la fusión es el confinamiento magnético de un plasma de H2
La central requiere muchísima energía para los imanes superconductores necesarios para crear un campo magnético intensísimo

Dado su inmenso coste hay pocos proyectos de investigación internacional

Ventajas
  • Gran concentración de energía. Poco volumen de almacenamiento
  • Inmensas reservas de material fusionable (H)
  • No emite CO2
  • Mayor seguridad . No puede haber una reacción descontrolada
Inconvenientes
  • Extraordinaria dificultad técnica de las centrales
  • Peligrosidad de los vertidos radiaoactivos
    (aunque mucho menor que las de fisión)

 


Estado actual y futuro previsible de la energía nuclear

El futuro de la energía nuclear es controvertido
Los mayores problemas son la seguridad y el almacenamiento de residuos de larga actividad durante largos periodos de tiempo.

Ha habido dos accidentes muy graves que han frenado la construcción de centrales nucleares: Chernobil y Fukushima precisamente cuando determinados países optaban por la opción nuclear, y muchos accidentes menores.

La mayor parte de Europa tiene paralizado el desarrollo nuclear, lo mismo que Estados Unidos. En Japón se contempla su desmantelamineto.
los países en desarrollo, en cambio sigue activa la opción nuclear, espacialmente e países con escasos recursos energáticos (China, India...)


Otras aplicaciones de la energía nuclear

Propulsión de barcos y submarinos

Reacctores de fisión nuclear. Especialmente de uso militar
Los submarinos nucleares tiene la ventaja de que no necesitan emerger son silenciosos y no necesitan combustible en años

Energía de naves espaciales

En programas espaciales que alejen las naves del Sol

Medicina e investigación biomédica

Radiaciones terapeuticas
Marcadores radioactivos

Investigación e física e ingeniería

Armas nucleares

 

La energía nuclear ha sido utilizada como armamento
En dos ocasiones sobre población civil
Unas 200 pruebas nucleares en la atmósfera, subterráneas o sunacuáticas

En la actualidad se estima que existen unas 17.000 cabezas nucleares de las que unas 4.000 son operativas

El armamento nuclear ha idos sofisticándose con el tiempo

  • Bombas Atómicas - De Uranio o plutonio. Se consigue la masa crítica por implosión - Potencia de kilotones
  • Bombas de hidrógeno - Se produce fisión de H con ayuda e una pequeña bomba nuclear - Potencia de megatones
  • Bombas de neutrones - Bombas de hidrógeno modificadas de menor peso y mayor emisión de radiación.

Ventajas de las armas nucleares

Se aduce como ventaja la ausencia de conflictops directos entre países que poseen el arma nuclear por las consecuencias de su uso

Inconvenientes

  • Evidentemente la destrucción y la pérdida de vidas humanas
  • Contaminación radioactiva de la atmósfera, el agua y el suelo en bombardeos y ensayos
  • Problemas de escapes en silos
  • Propblemas de escapes en trasporte
  • Problemas de contaminación en las plantas de producción de armas nucleares
  • Problemas geopolíticos


Vínculos
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