Reactores Nucleares

Una planta nuclear es una instalación industrial empleada para la generación de energía eléctrica a partir de energía nuclear. 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 a través de un ciclo termodinámico convencional para producir el movimiento de alternadores que transforman el trabajo mecánico en energía eléctrica. Estas centrales constan de uno o más reactores.

El núcleo de un reactor nuclear consta de un contenedor o vasija en cuyo interior se albergan bloques de un material aislante de la radioactividad, comúnmente se trata de grafito o de hormigón relleno de combustible nuclear formado por material fisible (uranio-235 o plutonio-239). En el proceso se establece una reacción sostenida y moderada gracias al empleo de elementos auxiliares que absorben el exceso de neutrones liberados manteniendo bajo control la reacción en cadena del material radiactivo; a estos otros elementos se les denominan moderadores.

Rodeando al núcleo de un reactor nuclear está el reflector cuya función consiste en devolver al núcleo parte de los neutrones que se fugan de la reacción.

Las barras de control que se sumergen facultativamente en el reactor, sirven para moderar o acelerar el factor de multiplicación del proceso de reacción en cadena del circuito nuclear.

El blindaje especial que rodea al reactor, absorbe la radiactividad emitida en forma de neutrones, radiación gamma, partículas alfa y partículas beta.

Un circuito de refrigeración externo ayuda a extraer el exceso de calor generado.

Las instalaciones nucleares son construcciones complejas por la variedad de tecnologías industriales empleadas y por la elevada seguridad con la que se les dota. Las características de la reacción nuclear hacen que pueda resultar peligrosa si se pierde su control y prolifera por encima de una determinada temperatura a la que funden los materiales empleados en el reactor, así como si se producen escapes de radiación nociva por esa u otra causa. 

La energía nuclear se caracteriza por producir, además de una gran cantidad de energía eléctrica, residuos nucleares que hay que albergar en depósitos aislados y controlados durante largo tiempo. Aunque produce contaminación atmosférica de gases derivados de la combustión que producen el efecto invernadero, no precisan el empleo de combustibles fósiles para su operación. En España las centrales nucleares generaron el 20 % de la energía eléctrica necesaria en 2008.

Sistema de refrigeración en una central nuclear

El sistema de refrigeración se encarga de que no se sobrecaliente el reactor y esto produzca una fusión en el núcleo del reactor. Funciona de la siguiente manera: Mediante un caudal de agua de 44.600 kg/s aportado por un tercer circuito semiabierto, denominado "Sistema de Circulación", se realiza la refrigeración del condensador. Este sistema consta de dos torres de refrigeración de tiro natural, un canal de recogida del agua y las correspondientes bombas de impulsión para la refrigeración del condensador y elevación del agua a las torres. El caudal de agua evaporado por la torre es restituido a partir de la toma de agua en un azud de un río próximo.

Funcionamiento

*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.

Tipos de centrales nucleares

Existen muchos tipos de centrales nucleares cada una con sus propias ventajas e inconvenientes. En primer lugar hay centrales basadas en fisión nuclear y en fusión nuclear, aunque estas se encuentran actualmente en fase experimental y son solo de muy baja potencia.

A partir de aquí, nos centraremos en las centrales de fisión. Estas se dividen en dos grandes grupos: por un lado los reactores térmicos y por otro los rápidos. La diferencia principal entre estos dos tipos de reactores es que los primeros presentan moderador y los últimos no. Los reactores térmicos(los más utilizados en la actualidad) necesitan para su correcto funcionamiento que los neutrones emitidos en la fisión, de muy alta energía sean frenados por una sustancia a la que se llama moderador, cuya función es precisamente esa. Los reactores rápidos (de muy alta importancia en la generación III+ y IV) sin embargo no precisan de este material ya que trabajan directamente con los neutrones de elevada energía sin una previa moderación.

Los reactores térmicos se clasifican según el tipo de moderador que utilizan, así tenemos:

*Reactores moderados por agua ligera.

*Reactores tradicionales

*LWR (Light Water Reactor) De diseño occidental

*PWR (Pressurized Water Reactor)

*BWR (Boiling Water Reactor)

*VVER De diseño ruso.

*Reactores avanzados (basados en los anteriores pero con grandes mejoras en cuanto a seguridad)

*AP1000 (Advanced Pressurized Reactor) Basado en el PWR

*EPR (European Pressurized Reactor) Basado en PWR

*ABWR (Advanced Boiling Water Reactor) Basado en BWR

*VVER 1000 basado en el VVER

*PHWR (Pressurized Heavy Water Reactor) Reactores moderados por agua pesada

*CANDU (Canadian Natural Deuterium Uranium)

*Reactores moderados con grafito

*Reactores tradicionales (generalmente refrigerados por gas)

*RBMK el de Chernóbil refrigerado por agua

*MAGNOX de diseño ingles

*GCR (Gas Carbón Reactor) de diseño francés

Reactores avanzados

*AGR (Advanced Gas Reactor) reactor avanzado basado en el GCR

*HTGR (High Tamperature gas reactor) reactor de gas de alta temperatura

*PBMR (Pebble Bed Modular Reactor)

Por otra parte tenemos los reactores rápidos, todos ellos avanzados, conocidos como FBR (fast breeder reactors):

Refrigerados por metales líquidos

Sodio, plomo y plomo-bismuto

Molécula Trofeo

En un artículo publicado en la revista Science, los miembros del equipo, formado por científicos de las Universidades de Nottingham y Manchester (Reino Unido), anunciaron que pueden preparar un compuesto de nitruro de uranio terminal que es estable a temperatura ambiente. Por otra parte, demostraron que el compuesto puede almacenarse en frascos en forma cristalizada o en polvo.

El estudio fue apoyado en parte por el proyecto financiado por la Unión Europea UNCLE, El uranio en entornos de ligando no clásicos, que recibió una subvención de inicio (Starting Grant) de 999.996 euros del Consejo Europeo de Investigación (CEI).

Los investigadores argumentan que el avance podría tener implicaciones futuras para la industria de la energía nuclear, ya que los materiales de nitruro de uranio podrían ofrecer una alternativa viable a los actuales combustibles nucleares de óxidos mixtos utilizados en los reactores nucleares, puesto que superan las prestaciones de estos en cuanto a alta densidad, punto de fusión y conductividad térmica. Además, el proceso empleado por los científicos para fabricar el compuesto podría facilitar una ruta más limpia y a menor temperatura que los métodos que se emplean actualmente.

Intentos anteriores para preparar compuestos de uranio y nitrógeno de triple enlace habían requerido temperaturas tan bajas como cinco grados Kelvin (-268 ºC), aproximadamente equivalente a la temperatura del espacio interestelar; por ello había sido difícil trabajar con ellos y manipularlos, ya que requerían equipos y técnicas especializados.

Los nitruros de uranio se preparan habitualmente mezclando dinitrógeno o amoniaco con uranio en condiciones de altas temperaturas y presiones. Según los investigadores, el problema de dicho procedimiento radica en que las condiciones de reacción tan severas necesarias para la preparación del compuesto generan impurezas que luego son difíciles de eliminar. En los últimos años, por lo tanto, los científicos han centrado su atención en el uso de métodos moleculares a bajas temperaturas; pero todos los intentos anteriores obtuvieron como resultado complejos con ligandos puente, en lugar de los productos terminales deseados, es decir, nitruros.

El método utilizado en este estudio implica la utilización de un ligando (una molécula orgánica enlazada a un metal) nitrógeno muy «voluminoso» que envuelve el centro de uranio, creando así una bolsa de protección en la que puede asentarse el nitrógeno de nitruro. La estabilización del nitruro durante la síntesis pudo realizarse gracias a la presencia de un catión (ión con carga positiva) sodio débilmente enlazado que, al bloquear el nitruro, impide que éste reaccione con otros elementos. En la etapa final, el sodio se eliminaba suavemente, sacándolo de la estructura, lo que hizo posible obtener como producto final nitruro de uranio estable de triple enlace.

El doctor Stephen Liddle de la Universidad de Nottingham comentó: "La belleza de este trabajo reside en su simplicidad: al encapsular el nitruro de uranio con un ligando muy voluminoso de apoyo, estabilizar el nitruro durante la síntesis con sodio y, a continuación, secuestrar dicho sodio en condiciones suaves, por fin conseguimos aislar el enlace del nitruro de uranio terminal."

El pararrayos

Un pararrayos es un instrumento cuyo objetivo es atraer un rayo ionizando el aire para excitar, llamar y conducir la descarga hacia tierra, de tal modo que no cause daños a las personas o construcciones. Fue inventado en 1753 por Benjamín Franklin. El primer modelo se conoce como «pararrayos Franklin», en homenaje a su inventor.

En 1747 Benjamín Franklin inició sus experimentos sobre la electricidad; defendió la hipótesis de que las tormentas son un fenómeno eléctrico y propuso un método efectivo para demostrarlo. En 1749 inventó el pararrayos en las Américas.

En 1752 Franklin publicó en Londres, en su famoso almanaque (Poor Richard’s Almanack), una aplicación donde propuso la idea de utilizar varillas de acero en punta, sobre los tejados, para protegerse de la caída de los rayos. Su teoría se ensayó en Inglaterra y Francia antes incluso de que él mismo ejecutara su famoso experimento con una cometa en 1752. Inventó el pararrayos y presentó la llamada teoría del fluido único para explicar los dos tipos de electricidad atmosférica, la positiva y negativa.

A partir de entonces nacieron los pararrayos que, contrariamente a lo que indica su nombre, se diseñaron para excitar y atraer la descarga y luego conducirla hacia un lugar donde no ocasione daños. La confianza de protección era tan grande en la sociedad que, inconscientemente, no contemplaban sus riesgos, e incluso llegaron a diseñarse estéticos paraguas con pararrayos incorporado.

En 1753, el ruso Georg Wilhelm Richmann siguió las investigaciones de Franklin para verificar el efecto de protección, pero en su investigación un impacto de rayo lo fulminó cuando éste fue excitado y atraído por el pararrayos, y recibió una descarga eléctrica mortal cuando manipulaba parte de la instalación del pararrayos.

En 1919 Nikola Tesla definió correctamente el principio de funcionamiento del pararrayos, y rebatió las teorías y la técnica de Benjamín Franklin y su patente. Desde entonces, la industria del pararrayos ha evolucionado y se fabrican modelos de distinto diseño, como pararrayos de punta simple, pararrayos con multipuntas o pararrayos con punta electrónica, pero todos con el mismo principio físico de funcionamiento: ionizar el aire a partir de un campo eléctrico natural generado en el suelo por la tormenta, con el principio de excitar y capturar el rayo en la zona que se desea proteger. Una instalación de pararrayos está compuesta, básicamente, de tres elementos: un electrodo captador (pararrayos), una toma de tierra eléctrica y un cable eléctrico para conducir la corriente del rayo, desde el pararrayos a la toma de tierra.

El rayo

El rayo es una poderosa descarga electrostática natural producida durante una tormenta eléctrica; generando un "pulso electromagnético". La descarga eléctrica precipitada del rayo es acompañada por la emisión de luz (el relámpago), causada por el paso de corriente eléctrica que ioniza las moléculas de aire, y por el sonido del trueno, desarrollado por la onda de choque. La electricidad (corriente eléctrica) que pasa a través de la atmósfera calienta y expande rápidamente el aire, produciendo el ruido característico del rayo; es decir, el trueno. Los rayos se encuentran en Estado plasmático.

La probabilidad de ser alcanzado por un rayo es de 1 en 2.320.000. En promedio, un rayo mide 11/2 Km y el más extenso fue registrado en Texas y alcanzó los 190 Km de longitud. Un rayo puede alcanzar los 200.000 Km/h. Es 5 veces más caliente que la superficie del Sol. La diferencia de potencial es 1000 millones de voltios con respecto al suelo [cita requerida]. Toda la energía de todo tipo que consume el planeta en 7 años se encuentra contenida en un rayo. Cada año se registran 16 millones de tormentas con rayos.

Generalmente, los rayos son producidos por partículas positivas por la tierra y negativas a partir de nubes de desarrollo vertical llamadas cumulonimbos. Cuando un cumulonimbos alcanza la tropopausa, las cargas positivas de la nube atraen a las cargas negativas, causando un relámpago o rayo. Esto produce un efecto de ida y vuelta; se refiere a que al subir las partículas instantáneamente regresan causando la visión de que los rayos bajan. Un rayo puede generar una potencia instantánea de 1 gigawatio (1 millar de watts), pudiendo ser comparable a la de una explosión nuclear.

La disciplina que, dentro de la meteorología, estudia todo lo relacionado con los rayos se denomina ceraunología.

Formación del rayo

Cómo se inicia la descarga eléctrica sigue siendo un tema de debate. Los científicos han estudiado las causas fundamentales, que van desde las perturbaciones atmosféricas (viento, humedad y presión) hasta los efectos del viento solar y a la acumulación de partículas solares cargadas. Se cree que el hielo es el elemento clave en el desarrollo, propiciando una separación de las cargas positivas y negativas dentro de la nube.

Los rayos pueden producirse en las nubes de cenizas de erupciones volcánicas, o puede ser causado por violentos incendios forestales que generen polvo capaz de crear carga estática.

Rayo nube a tierra

Es el más conocido y el segundo tipo más común. De todos los tipos de rayos, este representa la mayor amenaza para la vida y la propiedad, puesto que impacta contra la tierra. El rayo nube a tierra es una descarga entre una nube cumulonimbos y la tierra. Comienza con un trazo inicial que se mueve desde la nube hacia abajo.

Rayo perla

El Rayo perla es un tipo de rayo de nube a tierra que parece romper en una cadena de secciones cortas, brillantes, que duran más que una descarga habitual. Es relativamente raro. Se han propuesto varias teorías para explicarlo; una es que el observador ve porciones del final de canal de relámpago, y que estas partes parecen especialmente brillantes.

Rayo tierra a nube

El rayo tierra a nube es una descarga entre la tierra y una nube cumulonimbos, que es iniciado por un trazo inicial ascendente, es mucho más raro que el rayo nube a tierra. Este tipo de rayo se forma cuando iones cargados negativamente, se elevan desde el suelo y se encuentran con iones cargados positivamente en una nube cumulonimbos. Entonces el rayo vuelve a tierra como trazo.

Rayo nube a nube

Este tipo de rayos pueden producirse entre las zonas de nube que no estén en contacto con el suelo. Cuando ocurre entre dos nubes separadas; es llamado rayo inter-nube y cuando se produce entre zonas de diferente potencial eléctrico, dentro de una sola nube, se denomina rayo intra-nube. El rayo Intra-nube es el tipo que ocurre con más frecuencia.

Conductores Eléctricos

Un conductor eléctrico es aquel material que ofrece poca resistencia al movimiento de carga eléctrica    

      

Son materiales cuya resistencia al paso de la electricidad es muy baja. Los mejores conductores eléctricos son metales, como el cobre, el oro, el hierro y el aluminio, y sus aleaciones, aunque existen otros materiales no metálicos que también poseen la propiedad de conducir la electricidad, como el grafito o las disoluciones y soluciones salinas (por ejemplo, el agua de mar) o cualquier material en estado de plasma.

Para el transporte de energía eléctrica, así como para cualquier instalación de uso doméstico o industrial, el mejor conductor es la plata, pero debido a su elevado precio, los materiales empleados habitualmente son el cobre (en forma de cables de uno o varios hilos), o el aluminio; metal que si bien tiene una conductividad eléctrica del orden del 60% de la del cobre, es sin embargo un material tres veces más ligero, por lo que su empleo está más indicado en líneas aéreas de transmisión de energía eléctrica en las redes de alta tensión.1A diferencia de lo que mucha gente cree, el oro es levemente peor conductor que el cobre, sin embargo, se utiliza en bornes de baterías y conectores eléctricos debido a su durabilidad y “resistencia” a la corrosión.

La conductividad eléctrica del cobre puro fue adoptada por la Comisión Electrotécnica Internacional en 1913 como la referencia estándar para esta magnitud, estableciendo el International Annealed Copper Standard (Estándar Internacional del Cobre Recocido) o IACS. Según esta definición, la conductividad del cobre recocido medida a 20 °C es igual a 58.0  MS/m.2 A este valor es a lo que se llama 100% IACS y la conductividad del resto de los materiales se expresa como un cierto porcentaje de IACS. La mayoría de los metales tienen valores de conductividad inferiores a 100% IACS pero existen excepciones como la plata o los cobres especiales de muy alta conductividad designados C-103 y C-110.3

Usos

Aplicaciones de los conductores:

Conducir la electricidad de un punto a otro (pasar electrones a través del conductor; los electrones fluyen debido a la diferencia de potencial).

Establecer una diferencia de potencial entre un punto A y B.

Crear campos electromagnéticos (como en las bobinas y electroimanes).

Modificar el voltaje (con el uso de transformadores).

Crear resistencias (con el uso de conductores no muy conductivos).

Semiconductores

Los primeros semiconductores utilizados para fines técnicos fueron pequeños detectores diodos empleados a principios del siglo 20 en los primitivos radiorreceptores, que se conocían como “de galena”. Ese nombre lo tomó el radiorreceptor de la pequeña piedra de galena o sulfuro de plomo (PbS) que hacía la función de diodo y que tenían instalado para sintonizar las emisoras de radio. La sintonización se obtenía moviendo una aguja que tenía dispuesta sobre la superficie de la piedra. Aunque con la galena era posible seleccionar y escuchar estaciones de radio con poca calidad auditiva, en realidad nadie conocía que misterio encerraba esa piedra para que pudiera captarlas.

En 1940 Russell Ohl, investigador de los Laboratorios Bell, descubrió que si a ciertos cristales se le añadía una pequeña cantidad de impurezas su conductividad eléctrica variaba cuando el material se exponía a una fuente de luz. Ese descubrimiento condujo al desarrollo de las celdas fotoeléctricas o solares. Posteriormente, en 1947 William Shockley, investigador también de los Laboratorios Bell, Walter Brattain y John Barden, desarrollaron el primer dispositivo semiconductor de germanio (Ge), al que denominaron “transistor” y que se convertiría en la base del desarrollo de la electrónica moderna.

Los "semiconductores" como el silicio (Si), el germanio (Ge) y el selenio (Se), por ejemplo, constituyen elementos que poseen características intermedias entre los cuerpos conductores y los aislantes, por lo que no se consideran ni una cosa, ni la otra. Sin embargo, bajo determinadas condiciones esos mismos elementos permiten la circulación de la corriente eléctrica en un sentido, pero no en el sentido contrario. Esa propiedad se utiliza para rectificar corriente alterna, detectar señales de radio, amplificar señales de corriente eléctrica, funcionar como interruptores o compuertas utilizadas en electrónica digital, etc.

Superconductores

Se denomina superconductividad a la capacidad intrínseca que poseen ciertos materiales para conducir corriente eléctrica sin resistencia ni pérdida de energía en determinadas condiciones.

La resistividad eléctrica de un conductor metálico disminuye gradualmente a medida que la temperatura se reduce. Sin embargo, en los conductores ordinarios, como el cobre y la plata, las impurezas y otros defectos producen un valor límite. Incluso cerca de cero absoluto una muestra de cobre muestra una resistencia no nula. La resistencia de un superconductor, en cambio, desciende bruscamente a cero cuando el material se enfría por debajo de su temperatura crítica. Una corriente eléctrica que fluye en una espiral de cable superconductor puede persistir indefinidamente sin fuente de alimentación. Al igual que el ferromagnetismo y las líneas espectrales atómicas, la superconductividad es un fenómeno de la mecánica cuántica.

La superconductividad ocurre en una gran variedad de materiales, incluyendo elementos simples como el estaño y el aluminio, diversas aleaciones metálicas y algunos semiconductores fuertemente dopados. La superconductividad, normalmente, no ocurre en metales nobles como el cobre y la plata, ni en la mayoría de los metales ferromagnéticos. Pero en ciertos casos, el oro se clasifica como superconductor; por sus funciones y los mecanismos aplicados.

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