Índice:
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Introducción
Estructura y tipos de reactores nucleares
Moderador y Refrigerador
Combustibles
Funcionamiento
Seguridad
Ventajas e inconvenientes
Consumo y uso
Bibliografía

Introducción:


Un reactor nuclear es una instalación donde se produce, mantiene y controla reacciones nucleares en cadena. Su principal aplicaciones es la generación de energía (electricidad), en las centrales nucleares; pero también se utilizan en la producción de elementos fisionables o como medio de propulsión.

Reactores de fisión y fusión nuclear

La mayor parte de los reactores nucleares se basan en la actualidad en la reacción nuclear de fisión, en la que núcleos atómicos pesados se dividen en núcleos de masa intermedia y se desprenden uno o mas neutrones. Esta reaccion puede ser inducida en algunos nucleos mediante el bombardeo de neutrones lentos. Aunque se conoce que la reaccion de fusion nuclear es mucho mas eficiente y limpia, las condiciones necesarias para que se de son muy dificiles de controlar en la Tierra con la tecnologia actual, y a día de hoy no resultan eficientes los reactores de fusión, aunque su investigacion y avance es continuo.

Reacciones nucleares de fision y fusion: la energía de enlace nuclear

En las reacciones nucleares la variación de masa produce una gran cantidad de energía a razón de la ecuación E=mc². Para comprender como surge esta energía es necesario conocer el concepto de energía de enlace nuclear, la energía requerida para disgregar un nucleón ( protones y neutrones que forman un núcleo). ΔE = │Δm│c² ; donde ΔE es la energía de enlace nuclear, mientras que Δm es el valor absoluto del cambio en la masa, expresado en kilogramos para que la energía se exprese en Julios. Los átomos se mantienen unidos por la interacción de dos grandes fuerzas : la fuerza nuclear, que mantiene unido el nucleón y la fuerza eléctrica, producida por la carga de los protones y que tiende a separarlos. Cuando el núcleo alcanza radios mayores la fuerza eléctrica desestabiliza al átomo en mayor medida.

  • La desintegración de los núcleos pesados en otros más ligeros( cuya suma total de energía de enlace por nucleón es menor) libera energía: es la fisión nuclear.
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  • Al contrario si los núcleos pequeños se combinan para dar un núcleo más pesado, la energía de enlace por nucleón aumenta y cierta cantidad de masa se convierte en energía: es la fusión nuclear.
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A continuación profundizaremos en la estructura y tipos de reactores y los componentes necesarios para su funcionamiento como un moderador y refrigerador, así como su combustible. Detallaremos su funcionamiento y las medidas de seguridad a tener en cuenta y compararemos sus ventajas e inconvenientes. Por ultimo especificaremos el consumo y uso de estos



Tipos de reactores nucleares:

1.Fisión nuclear:

· Reactor de agua presurizada (PWR) :
Este es el tipo más común, con más de 230 reactores para generación eléctrica y un centenar más en usos para propulsión de navíos de la marina. Estos reactores usan agua común tanto como refrigerante como moderador. El diseño se distingue por tener un circuito primario de refrigeración que fluye a través del núcleo a grandes presiones, y un circuito de refrigeración secundario en donde se genera el vapor para mover las turbinas de propulsión.
En un reactor PWR existen las llamadas estructuras de combustible, las cuales no son más que 200 o 300 barras cada una, dispuestas verticalmente en el núcleo, a título informativo, un reactor considerado como "grande" tendrá unas 150-250 estructuras con 80 -100 toneladas de uranio.pwr.gif
Curiosidad: El diseño original se propuso como una planta nuclear para submarinos.
Reactor de agua hirviente (BWR):

Este diseño guarda grandes similitudes con el PWR, excepto que existe un único circuito donde el agua está a una presión menor (unas 75 atmósferas) de modo que hierve dentro del núcleo a 285°C. El reactor ha sido diseñado para operar con el 12 al 15% del agua en la parte superior del núcleo en forma de vapor, teniendo así menos efecto moderador y eficiencia allí. El armazón de combustible de los BWR comprende alrededor de 90-100 barras de combustible, y existen reactores con hasta 750 armazones en el núcleo del reactor, con 140 toneladas de uranio.

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Reactor de agua presurizada (PHWR o CANDU):

El diseño del reactor CANDU fue desarrollado desde los anos 50 en Canadá. Usa óxido de uranio natural (0,7% U-235) como combustible, por lo que necesita de un moderador mas eficiente, en este caso el agua pesada (D2O).
Con el sistema CANDU, el moderador es enriquecido (por ej.: agua) en lugar del combustible

El moderador está en un gran tanque llamado Calandria, atravesado por cientos de tubos de presión horizontales que forman canales para el combstible, enfriado por un flujo de agua pesada a una presión enorme dentro del circuito primario de refrigeración, alcanzando los 290°C. Como en los PWR, el refrigerante primario genera vapor en un circuito secundario para mover a las turbinas. El diseño del tubo de presión permite que el reactor sea reabastecido progresivamente sin tener que apagarlo, aislando los tubos de presión individuales del circuito de refrigeración.
El armazón de combustibles del CANDU consiste en 37 manojos de 0,5 metros de largo (pastillas de uranio cerámico en tubos de zircaloy) más una estructura de apoyo, con 12 manojos descansando tope a tope en un canal de combustible.
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Reactor avanzado enfriado por un gas (AGR):
Estos son los reactores Británicos de Segunda Generación enfriados por gas, estos reactores utilizan un moderador de grafito y dióxido de carbono como refrigerante. El combustible son pastillas de óxido de uranio (enriquecido al 2,5 -3,5%), contenidas en tubos de acero inoxidable. El dióxido de carbono circula a través del núcleo alcanzando los 650°C y luego a través de los tubos de generadores de vapor, que aún están dentro de la cuba de presión de hormigón y acero, pero fuera ya del núcleo. Las barras de control penetran en el moderador y un sistema de apagado secundario incluye la inyección de nitrógeno al refrigerante.
El AGR fue desarrollado a partir del reactor Magnox, moderado con grafito y enfriado con CO2 y que utilizan uranio natural como combustible, en forma metálica.. Existen todavía algunos de estos reactores operativos en Gran Bretaña.
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Reactor RMBK:
Este es un diseño Soviético, desarrollado a partir de los reactores de producción de plutonio. Emplea largos tubos de presión verticales (7 metros) que pasan a través del moderador de grafito, y es enfriado por agua, la cual hierve dentro del núcleo a 290°C, como en los BWR. El combsutible es óxido de uranio de bajo enriquecimiento dispuesto en manojos de 3,5 metros de largo. Con la moderación debida en gran parte al grafito fijo, el exceso de ebullición simplemente reduce el enfriamiento y la absorción de neutrones sin inhibir la reacción de fisión, y puede surgir entonces un problema de realimentación positiva. (Chernobyl)
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Para más información: http://www.world-nuclear.org/info/inf31.htm (english)


Reactores avanzados
Más de una docena de diseños de reactores avanzados (Generación III) están en diferentes etapas de desarrollo. Algunos son evoluciones de los diseños PWR, los BWR y CANDU mostrados más arriba. Otros son diseños más avanzados. El diseño radical más conocido es el "Reactor Modular de Lecho de Guijarros" (Pebble Bed Modular Reactor), que usa helio como refrigerante a muy alta temperatura, para impulsar directamente a las turbinas.

La "Cuarta Generación" de reactores.

Se distinguen varias generaciones de reactores. Los reactores de Primera Generación fueron desarrollados entre 1950 y 1960 y pocos de ellos están aún en funcionamiento. Los de Segunda Generación son utilizados por la actual flota naval de los Estados Unidos, y la mayoría están en operativos en todos los mares del mundo. Los de Tercera generación son los llamados Reactores avanzados, los dos primeros de ellos están en operación en Japón y otros están en construcción o listos para ser ordenados. La Cuarta Generación de reactores está todavía en el tablero de dibujo y no serán operativos antes del año 2010, como muy temprano.
Para más información: http://www.world-nuclear.org/info/inf08.htm (english)

2.Fusión nuclear:

Existen dos tipos distintos de reactores de fusión, de confinamiento magnético y confinamiento inercial:

· Confinamiento inercial:

Utiliza una gran cantiad (unos 200) de láseres para pasar a estado de plasma el deuterio y el tritio, confinados en una pequeña cámara de combustible.
Se trata de conseguir desencadenar el proceso de fusión nuclear durante unos nanosegundos por medio de potentes láseres lanzados contra algún miligramo de átomos de deuterio y tritio. Éste es el objetivo perseguido por dos gigantescos centros de experimentación que se construyen en California (EEUU) y Burdeos (Francia), el National Ignition Facility (NIF) y el Laser Mégajoule(LMJ), respectivamente.


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·Confinamiento magnético:
Esta es la solución para el confinamiento adoptada por el ITER. En ella se utilizan campos magnéticos para mantener las partículas cargadas del plasma en una trayectoria toroidal, como se aprecia en la siguiente figura.


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"Partículas de plasma moviéndose helicoidalmente en el seno del campo magnético".

Para ello, se han de generar unos campos magnéticos (de orden de Teslas) denominados toroidales y poloidales, que mantienen el plasma confinado en el toro. Cuando ambos campos magnéticos se generan mediante arrollamientos exteriores, se denomina una configuración de Stellerator. Cuando sólo es el campo magnético toroidal el que se genera mediante los imanes exteriores, y el poloidal es generado por la propia corriente eléctrica que forma el plasma en su camino toroidal, la configuración se denomina Tokamak. En el caso del ITER, la configuración adoptada es la de Tokamak.

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Moderador y refrigerador:


Moderador nuclear:

El moderador nuclear es el elemento encargado de disminuir la velocidad de los neutrones para que se pueda producir una reacción nuclear en cadena de forma eficaz.
Esta disminución de velocidad es debida al choque que se produce entre los neutrones de la reacción y los núcleos pertenecientes a los átomos del elemento moderador.En el choque la energía cinética (sólo parte de ésta) se va hacia el núcleo reduciendo la velocidad del neutrón.
Los mejores elementos usados como moderadores que poseen masas atómicas muy bajas( por ejemplo el deuterio que se encuentra en el agua pesada). Que tengan masas atómicas bajas hace que la energía transferida en casa choque sea mayor y por tanto una reducción mayor de la velocidad. También es importante que dichos elementos posean una sección eficaz de capturabaja para que no absorban neutrones.



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Agua pesada:

Llamamos agua pesada a la molécula que tiene una composición química semejante a la del agua pero sustituyendo los átomos de hidrógeno por deuterio que es un isótopo pesado del hidrógeno. Su fórmula es D2O o 2H2O.
Este elemento tiene puntos de fusión y ebullición distintos del agua normal. También varía su densidad.
El agua pesada lo podemos encontrar en pequeñas cantidades en el agua común, para poder obtenerlo se usa normalmente la destilación fraccionada (Proceso mediante el cual se separan dos sustancias líquidas que tienen distinto punto de fusión)

Grafito:

El grafito pertenece a las formas alotrópicas del carbono (diamante, grafito, fulerenos, nanotubos) . El grafito es mucho más estable que el diamante a temperatura ambiente aunque el diamante se descompone de una forma muchísimo mas lenta.
Respecto a la estructura presenta hibridación sp2 , los átomos se enlazan de forma covalente siendo éste un enlace muy fuerte en comparación con el enlace entre las diferentes capas que se realiza mediante fuerzas de Van der Vals.



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Refrigerador:
Es el encargado de reducir la temperatura del reactor y el combustible al producirse las reacciones de fusión o de fisión. Algunos refrigeradores más comunes son el agua pesada, el agua ligera, el CO2.
Agua ligera:
Este elemento es el agua común que tiene dos átomos de y uno de . Los reactores que usan este elemento son reactores mucho más baratos que los reactores que usan el agua pesada. El agua circula por un circuito en el cual va absorbiendo el calor producido en el núcleo y pasa por un intercambiador de calor donde terminará saliendo en forma de vapor al exterior.
Agua pesada:


Este tipo de refrigerador se mantiene a presión para evitar que comience a evaporarse. Sale a una gran temperatura y en el intercambiador de calor terminará en forma de vapor.
Combustibles nucleares
Los elementos combustibles son los responsables de producir energía en los reactores o centrales nucleares, generando calor durante dicho proceso, como cualquier otro tipo de combustible. Al hablar de elementos combustibles de los reactores basados en la reacción de fisión (es decir todos los reactores comerciales actuales y una buena parte de los reactores de investigación), generalmente se considera como tal a un dispositivo que comprende a: · el combustible propiamente dicho (uranio, plutonio).
· los materiales que resultan contenedores de los mismos.
· la disposición geométrica que este conjunto toma en base al diseño.

Tipos de combustibles:


Uranio


El uranio es la materia prima para la fabricación del combustible de las centrales nucleares. El conjunto de operaciones que van desde la extracción del mineral de uranio en la mina hasta su carga como combustible en la central se denomina "primera parte del ciclo de combustible nuclear". Abarca los siguientes procesos:
1) Minería y fabricación de concentrados de uranio.2) Conversión a hexafluoruro de uranio.3) Enriquecimiento en el isótopo U235 hasta una concentración del 4-5%.4) Fabricación de elementos combustibles.El uranio que se extrae de las minas se encuentra en forma de un oxido de Uranio U3O8
Sin embargo los átomos de uranio que hay en esa molécula no son todos iguales. La diferencia está únicamente en el número de neutrones (para que un átomo sea Uranio y no cualquier otro elemento debe tener 92 protones en su núcleo, así que si un átomo es uranio tiene 92 protones).
En la naturaleza, en el momento actual hay principalmente 3 isótopos. El U238, el U235 y el U234 cada uno con 146, 143, 142 neutrones respectivamente. Las proporciones de abundancia actuales son 99,27%, 0,72%, 0,0055%. Esto es así porque el 238 es el más estable y por lo tanto es el que menos se desintegra.

Para que un reactor normal funcione no puede utilizar el uranio que le viene de la mina tal cual, con una proporción tan baja de U235. Necesita que esa proporción sea de entre 3-5%. Subir la proporción del isótopo 235 es enriquecer Uranio:
la única diferencia que hay entre un átomo U238 y U235 es que el U238 es ligeramente más pesado. Así que lo que se hace es transformar el U3O8 (sólido) en UF6 (gas). Ahora al estar los átomos de uranio en una molécula que es un fluido podemos utilizar una de sus propiedades que es que el fluido más pesado está abajo y el más ligero arriba. Sin embargo y en contra de lo que pudiese parecer este es un proceso difícil y caro que se lleva a cabo mediante miles de pequeñas centrifugadoras.

Este proceso demanda una gran cantidad de energía, tanta que parte del uranio enriquecido se utiliza para alimentar un reactor nuclear cuyo único fin es básicamente proporcionar energía a la fábrica.
Este proceso de enriquecer uranio genera una gran polémica a nivel mundial, por dos motivos:1) Dejar que un país enriquezca uranio, y pueda beneficiarse de la energía nuclear. Aunque es posible que desarrolle armas nucleares. 2) Evitar que lo haga, y impedir la amenaza. Aunque obligando a su población e industria a padecer déficit energético.
-El uranio puede emplearse de diferentes maneras:


Combustibles a base de óxidos:

1.Dióxido de Uranio (UO2): este combustible es el que utilizan la mayoría de los reactores PWR y BWR en operación. El dióxido de uranio se utiliza en forma de cerámico sólido negro. Al ser un material cerámico, el dióxido de uranio posee una baja conductividad térmica, lo que resulta en una elevada temperatura en la zona central de las pastillas combustibles cuando se encuentran en un reactor nuclear.

2.Óxidos mixtos (MOX) : El Combustible nuclear de mezcla de óxidos, Óxido mixto, combustible MOX o simplemente MOX, es una mezcla de plutonio y uranio natural o empobrecido que se comporta en un reactor de forma similar al uranio enriquecido que alimenta la mayoría de los reactores nucleares. El MOX es una alternativa al combustible de uranio enriquecido utilizado en la mayoría de los reactores comerciales del mundo.

Combustibles líquidos:

1. Soluciones acuosas de sales de uranio : el reactor homogéneo acuoso utiliza una solución de sulfato de uranio u otras sales de uranio en agua. Este tipo de reactor homogéneo no se ha utilizado por ningún reactor de gran energía. Una de sus desventajas es que el combustible, en caso de accidente, tiene una presentación que favorece que se disperse fácilmente.

2.Nitruro de uranio : Este es a menudo el combustible de elección para los diseños de reactor que fabrica la NASA. Una ventaja es que el UN tiene una mejor conductividad térmica que el UO2. El nitruro de uranio tiene una temperatura de fusión muy elevada. Este combustible tiene el inconveniente de que, a menos de que se utilice 15N (en lugar del más habitual 14N), se generará una gran cantidad de 14C del nitrógeno por la reacción pn.


3.Carburo de uranio :
es un material cerámico de gran interés potencial, especialmente para reactores destinados a funcionar a temperaturas muy elevadas. Aunque este material no ha alcanzado el grado de desarrollo del dióxido de uranio, parece que posee ciertas ventajas sobre este último: además de ser estable a temperaturas elevadas, tienes una conductividad térmica mayor que el dióxido.

Aunque prácticamente todo combustible es un óxido de uranio cerámico (UO2 con un punto de fusión de 2800°C) y la mayoría es enriquecido. Las pastillas de combustible (usualmente 1 cm de diámetro por 1,5 cm de largo) están típicamente dispuestos dentro de un largo tubo de aleación de zirconio para formar una barra de combustible, siendo el zirconio duro, resistente a la corrosión y permeable a los neutrones*. Numerosas barras forman una estructura de combustible, que es un entramado abierto que puede ser izado o descendido al interior del núcleo del reactor. En los reactores más comunes estas barras tienen unos 3,5 metros de largo.
A menudo se usan venenos quemables (especialmente en los tipos BWR) en el combustible o los refrigerantes, para equilibrar la performance del reactor durante el tiempo que va de la carga de combustible fresco al reabastecimiento. Se trata de absorbentes de neutrones que se descomponen bajo la exposición a los neutrones, compensando por el progresivo aumento de absorbentes de neutrones que se producen a medida que el combustible es usado. El más conocido es el gadolinio, que es un vital ingrediente del combustible de los reactores de la marina donde la instalación de combustible nuevo es muy inconveniente, de modo que los reactores son diseñados para funcionar más de diez años entre reabastecimientos.

Plutonio


Es un elemento metálico radiactivo que se utiliza en reactores y armas nucleares. El plutonio, no es un elemento natural, es producido artificialmente en reactores, a través de reacciones nucleares y su principal isótopo, el plutonio-239, es obtenido a través de una absorción neutrónica del U-238.
Un kilogramo es equivalente a unos 22 millones de kilovatios-hora.
La detonación completa de un kilogramo de plutonio produce una explosión equivalente a 20.000 toneladas de explosivo químico. Su importancia estriba en la propiedad de ser fácilmente fisionable con neutrones y su disponibilidad en cantidades considerables ya que la producción anual estimada ronda los 20.000 kg. El Pu-238 es una valiosa fuente de energía para vehículos espaciales, debido a su solidez. Se ha usado para suministrar energía a los vehículos lunares de la misión Apolo. En estos momentos se le está dando muchísima importancia al uso del plutonio como combustible nuclear debido a los acuerdos internacionales sobre reducción de armamentos. Los grandes almacenamientos de éste deben ser reducidos y la mejor forma es produciendo energía útil.-Dos factores fundamentales relacionados con el combustible nuclear son : su transporte, y su almacenamiento una vez usado.
1)Transporte. A diferencia del petróleo, el gas o el carbón, el combustible nuclear necesita un complejo proceso de elaboración antes de ser transportado para su uso como energía primaria. El transporte de bultos que contienen sustancias radioactivas, tanto terrestre, marítimo o aéreo, está regulado internacionalmente por el “Reglamento para el transporte seguro de sustancias radiactivas” que suele estar incorporado en la legislación de la mayoría de los países, como sucede en el caso de España. Algunas de las condiciones que pone dicho Reglamento son: - Se establece un límite por remesa de envío de 40g de U235
- La dimensión externa más pequeña de cada bulto no excederá de 10cm
- Cada bulto individual contendrá un máximo de 15g de U235
2) Almacenamiento. El combustible nuclear tiene en el reactor una utilización de unos tres o cuatro años. El elemento combustible se considera gastado cuando el crecimiento de los productos de fisión (absorbentes de neutrones) y el decrecimiento del U235que se va consumiendo hacen que el elemento ya no colabore en el mantenimiento de la cadena de fisiones. Entonces se retira el elemento del reactor y se sustituye por uno nuevo. El combustible gastado produce calor y radiaciones, de las que hay que proteger a los trabajadores de las centrales. Este combustible se traslada bajo agua a una piscina donde se coloca un bastidor situado en su fondo, que lleva un ensayado metálico que asegura su inmovilidad.El agua refrigera los elementos combustibles y sirve de blindaje eficaz contra las radiaciones. Una vez que el combustible se ha enfriado en las piscinas se introduce en contenedores para trasladarlo a distintos lugares: 1) a repositorios (almacenes permanentes); 2) a instalaciones de reproceso; 3) se almacena temporalmente en seco en la central, cuando no haya sitio en las piscinas; 4) se traslada a un almacén temporal centralizado, donde el combustible espera hasta la disposición final.

FUNCIONAMIENTO DE REACTORES NUCLEARES DE FISIÓN Y FUSIÓN.



REACTORES DE FISIÓN.


Una central nuclear de fisión consta de cuatro partes.
El reactor en el que se produce la fisión. El generador de vapor en el que el calor producido por la fisión se usa para hacer hervir agua. La turbina que produce electricidad con la energía contenida en el vapor. Y el condensador en el que se enfría el vapor, convirtiéndolo en agua líquida de nuevo.

1. RReactores de agua ligera:
RReactor de agua presurizada (PWR).
La reacción nuclear se da en el reactor, en el están las varillas de combustible y unas decenas de barras de control que están hechas de un material que absorbe los neutrones. Con estas barras de control se controla el ritmo de la fisión nuclear dependiendo de las necesidades de generación de electricidad. En las centrales nucleares habituales hay un circuito primario en el que el agua se calienta por la fisión del uranio. Se forma un circuito cerrado en el que el agua circula bajo presión, para que se mantenga líquida a pesar de la alta temperatura que alcanza (unos 293ºC). Con el agua del anterior circuito se calienta el circuito secundario del agua. El agua de este circuito secundario se transforma en vapor a presión, llega a una turbina y la hace girar. El giro de la turbina mueve a un generador que produce la corriente eléctrica. Finalmente, el vapor que pasa por las turbinas llega a un condensador y se transforma en agua líquida y de este modo vuelve al circuito primario.

· RReactor de agua hirviente (BWR).
En éste sólo hay un circuito en el que el combustible, hace hervir el agua produciendo vapor. El vapor asciende hacia una serie de separadores y secadores que lo separan del agua de refrigeración, lo cual aumenta la calidad de éste. El vapor seco fluye hacia la turbina, que mueve el generador eléctrico. Tras esto el vapor que sale de la turbina pasa por un condensador que lo enfría obteniéndose agua líquida, que es impulsada mediante bombas hacia el interior de la vasija que contiene el núcleo para volver a empezar el ciclo.
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1. RReactores de agua pesada:
· El El reactor CANDU (CANadá Deuterio Uranio), en referencia a su moderador de neutrones de óxido de deuterio (agua pesada) y su utilización de uranio natural como combustible.
Es un reactor de agua pesada presurizada. CANDU utiliza como combustible óxido de uranio natural no enriquecido (0,7% de U-235); por tanto, necesita un moderador de neutrones más eficiente que otros reactores (en este caso el agua pesada (D2O), óxido de deuterio). Esto significa que puede funcionar sin necesidad de costosas instalaciones para el enriquecimiento de uranio.

El moderador es un gran depósito (calandria) atravesado por cientos de tubos de presión horizontales, refrigerados por un flujo de agua pesada a gran presión en el circuito de refrigeración primario, alcanzando los 290 °C. La alta presión en el depósito no hace posible la ebullición del agua pesada. En el reactor de agua presurizada el refrigerante primario genera en el circuito secundario una corriente que mueve las turbinas. El diseño del tubo de presión permite que el reactor se pueda repostar continuamente sin necesidad de apagarlo, puesto que los canales de combustible están controlados individualmente.
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REACTORES DE FUSIÓN.

Para que pueda existir una reacción de fusión, dos átomos ligeros tienen que unirse, produciendo una reacción química, obteniendo un átomo mayor. En esta reacción se libera mucha energía. La fuerza nuclear fuerte, al separarse del núcleo, desprende energía calorífica. Para fusionar dos átomos, hay que superar la fuerza de repulsión que poseen sus núcleos al repelerse, pues los dos núcleos tienen signo positivo. Esto se consigue haciéndolos chocar a gran velocidad y elevando la temperatura del reactor. A esas temperaturas, los átomos se mueven a una velocidad tal que se separan en núcleos y electrones libres. Este estado de la materia es el cuarto estado, por encima del estado gaseoso, denominado “plasma”. En un plasma, todas las partículas se mueven a altísimas velocidades en todas las direcciones, a temperaturas superiores de 150 millones de grados.

1. Cómo se puede conseguir la fusión.
En la actualidad existen dos formas de conseguir la energía nuclear de fusión, el confinamiento magnético y el confinamiento inercial.

· Confinamiento inercial.
Un perdigón de deuterio-tritio se encuentra en una cámara de implosión donde es alcanzado por muchos haces sincrónicos de alta energía (azul). Se libera energía de fusión (naranja) y se transporta energía térmica hacia el interior (violeta).
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Haces láser o de rayos X inducidos por láser calientan rápidamente la superficie del perdigón, formando un plasma. El perdigón es comprimido por la liberación de energía de fusión en el material superficial, que se comporta como un cohete que comprime su núcleo desde todas direcciones. En la fase final de implosión, el núcleo del perdigón alcanza 20 veces la densidad del plomo y fusiona a cien millones de grados centígrados. La ignición termonuclear se expande rápidamente a lo largo del combustible, liberando mucha más energía que la utilizada en todo el proceso.

A pesar de los éxitos iniciales, pronto surgieron problemas. No sólo resulta complicado montar un montón de láseres de manera que ataquen el blanco de manera simultánea, si no que la menor anisotropía entre haces y en el mismo plasma así generado provoca que el propio perdigón se niegue a comportarse de manera homogénea, cayendo en las inestabilidades de Rayleigh-Taylor. Mucho tiempo después de su nacimiento, no ha sido capaz de producir ningún resultado, y menos de generar más energía de la que consume, por tanto, la investigación actual se está inclinando más por el confinamiento magnético.

· Confinamiento magnético.
Para demostrar que la fusión nuclear es factible, en 1986 se formó un consorcio internacional llamado ITER (Reactor Termonuclear Experimental Internacional). Se construirá en Cadarache (Francia) y costará 10.300 millones de euros. El fin de ITER en el perfeccionamiento de la fusión nuclear como una fuente de energía para usos pacíficos. Su objetivo es probar todos los elementos necesarios para la construcción y funcionamiento de un reactor de fusión nuclear que serviría de demostración comercial. La fusión nuclear se realizará dentro del reactor Tokamak o toro (acrónimo en ruso de toroidal'naya kameras magnitnymi katiushkamy o cámara toroidal a bobinas magnéticas) cuyo objetivo es obtener la fusión de las partículas del plasma, lo que generaría grandes cantidades de energía.
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Para que el reactor sea seguro necesita tener una presión baja, para que la densidad del plasma también lo sea. Esto es algo que puede ser complicado, pero es indispensable para el buen funcionamiento del reactor.
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Seguridad en los reactores nucleares:

Las centrales nucleares habituales tienen el núcleo del reactor en el interior de una vasija de acero, cuya finalidad es la de evitar un escape de radiación al exterior en caso de accidente. Dicha vasija junto con el generador de vapor están situados dentro de un edificio de hormigón armado construido con la finalidad de soportar catástrofes naturales (tornados, terremotos…) e incluso ataques terroristas con bombas, choque de aviones, etc.
Las medidas de seguridad tienen cuyo principal objetivo el de mantener activas las siguientes funciones vitales:
  • El control de la Reacción Nuclear
  • La refrigeración del Reactor.
Junto con otras medidas pasivas e intrínsecas, los sistemas de seguridad responden ante la indisponibilidad y fallos de los sistemas principales, así como a los posibles errores en la operación. Cerca de un centenar de sistemas prestan funciones de soporte a esta función y en su caso complementan el cumplimiento del objetivo de seguridad nuclear
A causa de los riesgos que entraña una central nuclear en el caso de que se produjeran errores humanos o mecánicos, los reactores de fisión, presentan en sus instalaciones unos protocolos de actuación y seguridad que cumplen la normativa sobre seguridad nuclear de cada país.
En España,el órgano encargado de la seguridad de las centrales nucleares y el efecto de las radiaciones ionizantes sobre trabajadores, medio ambiente y población, es el Consejo de Seguridad Nuclear (CSN), cuyo funcionamiento es independiente del Estado, siguiendo unicamente las recomendaciones procedentesdel Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA) y de la Comunidad Europea de la Energía Atómica (EURATOM).

Escala de accidentes y anomalías en las centrales nucleares:



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Las "medidas de seguridad y protección radiológica” que ofrecen las centrales nucleares, son:

- Varilla de combustible
Tubos con aleación de circonio en cuyo interior se encuentra el combustible (uranio y plutonio).
- Vasija del reactor:
Recipiente cilíndrico de acero al carbono, recubierto interiormente de acero inoxidable, de 12.5 centímetros de espesor, con 18.5 metros de altura y 4.77 metros de diámetro. En su interior, se encuentra el núcleo del reactor, donde se obtiene el vapor que mueve la turbina.
- Edificio del reactor:
Es una estructura de hormigón armado de 1 metro de espesor y 55 metros de altura (12 de ellos, bajo tierra). Está diseñado para soportar las condiciones del mayor accidente posible
En caso de accidente, se ponen en funcionamiento de forma automática los siguientes “sistemas de emergencia”, activándose al producirse la rotura de la tubería de refrigeración:

- Inyección del Refrigerante a alta presión:
Inyecta refrigerante al interior de la vasija, justo encima del combustible.
- Rociado del núcleo:
Se refrigera el núcleo.
- Inyección de refrigerante a baja presión:
Inyectan refrigerante a la vasija, inundando el núcleo.
- Sistema automático de alivio de presión:
Impide la presurización de la vasija por encima de los valores operacionales.
- Condensador de aislamiento:
Enfría el vapor existente en la vasija.
- Inserción de las barras de control:
Al insertarlas, se para totalmente el reactor.
En el siguiente esquema, podemos observar las medidas de seguridad existentes en las centrales nucleares convencionales:



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Ventajas e inconvenientes:


VENTAJAS:

  • No está sujeta a las condiciones climáticas, costes impredecibles o a la dependencia de suministro de otros países.
  • La disponibilidad de esta forma de energía está garantizada, no asi la de los combustibles fósiles.Está asegurada debido a:
Las grandes reservas de Uranio.
Estas reservas se sitúan en países muy estables como Cánada o Australia.
La disposición de un mercado con una oferta-demanda favorable para el consumidor.
Un almacenamiento más sencillo que el de los combustibles fósiles.
  • La energía nuclear de las centrales proporciona un suministro estable de energía eléctrica, asegurando este suministro sin interrupciones, constante y una estabilidad en la red. De esta forma garantizan el suministro base de electricidad.
  • Pese a los esfuerzos realizados para disminuir el consumo eléctrico, la realidad de hoy en día es que este continúa en aumento y es en gran parte proporcionado por la energía nuclear.
  • La energía eléctrica de una central nuclear es la única que puede obtenerse en grandes cantidades.
  • Las centrales nucleares trabajan 365 días al año y 24 horas al día, de forma continuada.Así una central puede durar 500 días sin parar para recargar el combustible.Esto a ido evolucionando desde la década de los 90.
  • Aunque esta energía conlleva unos grandes costes, en comparación con otras, presenta menor gasto para la producciónde eléctricidad.
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INCONVENIENTES:
  • Aunque es rentable desde el punto de vista de combustible empleado respecto a la energía obtenida, no lo es si tenemos en cuenta los grandes costes que conlleva una central.El coste de construcción de una nueva central en la actualidad oscila entre los 3.000 y 4.000 millones de euros, una cantidad considerable para que una empresa eléctrica realice una inversión a futuro.
  • Resulta muy costoso, conseguir las condiciones de presión y temperatura que precisan estas centrales.
  • Las primas en caso de accidente nuclear también son de un coste demasiado elevado.
Debido a que en las centrales de fisión se trabaja con reacciones en cadena, en caso de fallo de estas provocarían una gran explosión como la producida en Chernobyl en 1986.


  • Existen enfermedades provocadas por la radioactividad que afectan a los trabajadores de una central y pueden ser internas, si ha ingerido o respirado un elemento radiactivo o bien externa si ha entrado en contacto por medio de la ropa o la piel. La radiactividad no es perceptible por el ser humano y mata poco a poco. Estas radiaciones pueden producir enfermedades como el cáncer de tiroides o la leucemia.
  • Además las radiaciones no solo afectan al ser humano si no que también pueden contaminar alimentos y agua.
  • Las centrales nucleares generan gran cantidad de residuos nucleares,difíciles de gestionar debido a que tardan multitud de años en perder su radioactividad y su peligro. En España por ejemplo se han producido unas 1500 toneladas de residuos radiactivos, que se retienen en las piscinas de las centrales, refrigerándose con agua, hasta que se detiene su carácter radioactivo.
  • Los tres tipos de residuos que encontramos se dividen por su nivel de radiactividad:
1. Baja actividad: Su radiactividad gamma (γ) o beta (β) en niveles inferiores a 0,04 GBq/m³ en estado líquido, 0,00004 GBq/m³ en el gaseosos, o una tasa de dosis en contacto es inferior a 20 mSv/h para los sólidos.
2.Media actividad: Sus valores de actividad se encuentran entre los de baja y los de alta, aunque alcance valores iguales a los de la alta actividad, se diferenciará de esta por su periodo de desintegración radioactiva.
3.Alta actividad: Emisiones tanto alfa como beta como gamma que sobrepasen los 4 GBq/m³ para líquidos,que sean gaseosos con cualquier actividad o que sean sólidos con una tasa de dosis en contacto la cual supere los 20 mSv/h.
Mientras que los residuos de baja y media actividad tienen un periodo de desintegración inferior a los 30 años,en los de alta actividad este periodo será superior.
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  • Existe un rechazo a esta forma de energía de carácter social debido a los desastres, el miedo o una serie de campañas antinucleares desarrolladas por ejemplo por Greenpeace.


VENTAJAS DE UN REACTOR DE FUSIÓN FRENTE A OTRO DE FISIÓN:

  • La fuente del combustible sería inagotable y está repartido de manera uniforme por el mundo.
  • El deuterio y el tritio necesarios para la reacción se obtienen del agua y del litio,respectivamente, ambos abundantes.
  • Genera residuos mucho menos radiactivos, además no produce humos ni contamina.
  • Se evitan multitud de accidentes posibles en las reacciones de fisión, al no producir reacciones en cadena, si no que al surgir algún problema la reacción simplemente se detiene.
  • La fusión nuclear es muy segura ya que el reactor solo contiene los combustibles 10 segundos después de la reacción.
  • Teóricamente, 500 litros de agua y 30 g de litio podríamos obtener 10 g de deuterio y 15 g de tritio, que satisfacen las necesidades energéticas de una persona en un país desarrollado.

Aún así, la energía nuclear de fusión sigue siendo inviable hoy en día, ya que supone un gran coste y un mayor desarrollo tecnológico.Pero el principal problema que presenta es alcanzar el estado de ignición, en el cual el calor producido por el plasma en la cámara debería mantener la reacción de fusión, sin aportar energía exterior adicional.
EL MEDIO AMBIENTE:
  • Este tipo de energía no envía a la atmósfera ni óxidos de carbono, ni de azufre, ni de nitrógeno, ni otros productos de combustión, como las cenizas. El SO2 y los NOx son los principales responsables de la lluvia ácida y provienen, en su mayor parte, de la combustión
    en centrales térmicas y refinerías.
  • Las centrales nucleares, al no quemar combustibles fósiles, no emiten CO2 durante su operación. En cuanto a las “emisiones” de las torres de refrigeración son sólo vapor de agua.
  • No generan gases ni partículas causantes del efecto invernadero.
  • Las centrales nucleares siempre han estado sujetas a un estricto control reglamentario institucional que contempla todas y cada una de las fases que componen el ciclo de producción, así como la protección de los trabajadores de la central.
  • Los residuos están debidamente confinados y controlados en todo momento por las instituciones oficiales.

Pero pese a esto, como ya se ha mencionado, las centrales nucleares suponen multitud de riesgos debido a la radiactividad de los combustibles y a la necesidad de tomar unas medidas de seguridad muy estrictas. Ya que si no evitamos estos posibles peligros, el ser humano así como el resto de seres vivos podrían sufrir grandes riesgos como la mutación, las enfermedades por la radiación o una explosión nuclear.
En relación al medio ambiente, la energía nuclear presenta numerosas opiniones, disputas y conflictos.
Una de ellas es la de foro nuclear, el cual está a favor de esta forma de energía, defendiéndola como energía limpia debido a estos factores medioambientales.

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Uso y Consumo de la energía nuclear.

Energía nuclear en el mundo Las perspectivas del futuro de la energía nuclear se han visto favorecidad por tres motivos:

  1. La gran subida en los precios de los combustibles fósiles.
  2. La entrada en vigor del Protocolo de Kyoto.
  3. Las actuales centrales nucleares han visto mejoradas sus capacidades, a lo que hay que añadir la ampliación de la vida útil de muchas de ellas, especialmente en los países pertenecientes a la OCDE y a otros países en Europa y Asia.En el informe de 2007 se prevé que la generación eléctrica a partir de energía nuclear aumentará una media del 1,3% anual desde 2004 a 2030. Pasaremos de 2.619 billones de Kwh a 3.619 billones.

En los mercados emergentes, el consumo de electricidad a partir de la energía nuclear aumentará en un 4,9% al año, ente 2002 y 2025.
Por ejemplo, en Asia, se prevé el mayor aumento en instalaciones nucleares, por encima de las estimaciones, representando el 96% del total del incremento de energía nuclear para este tipo de países (China, India y Corea del Sur).


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Sobre el uso mundial de esta energía, cabe destacar que el empleo mayoritario se corresponde a la produción de energía electrica, aunque va en aumento el numero de países que buscan en la energía nuclear una nueva generacion de armamento más potente y destructivo que alimente el miedo existente y cuya máxima pretensión es la de igualarse a los grandes países que históricamente han sido los únicos dueños de esta capacidad destructiva ( EE.UU, Rusia, China, Francia, Reino Unido).Reciente países como India, Paquistán, Irán, Corea del Norte...han desarrolado programas nucleares pese a las exigencias y sanciones internacionales.En los dos últimos casos, Irán y Corea del Norte, el miedo internacional es mayor debido a que son gobiernos politicamente inestables y fundamentalistas.
Energía nuclear en Europa

El consumo de energía nuclear en Europa representa un 15% del consumo total de energía. Las previsiones europeas hasta 2010, advierten un pequeño aumento del 1,9%.
A partir de esa fecha se producirá un descenso como consecuencia de la moratoria o cierre de las centrales nucleares de varios países.
Aunque se trate de una previsión real, cabe la posibilidad de que cambie la tendencia debido a los Protocolos de Kyoto, puesto que la energía nuclear no emite gases contaminantes a la atmósfera, a diferencia de los combustibles fósiles.
Por ello, la vida media de las centrales nucleares se está revisando al alza de forma que se prolongue su vida util ( 40 años aprox.) durante más tiempo del previsible.


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El uso europero de la energía nuclear va desde los sectores industrial y militar, hasta el aeroespacial.Siendo numerosos los países que poseen entre sus buques, cazabombarderos y submarinos, varios con capacidad nuclear.

Energía nuclear en España

La demanda de las 6 centrales nucleares españolas ha disminuido de forma progresiva causada por el crecimiento constante durante las últimas décadas y su estabilizacion debido a la política de moratoria nuclear auspiciada en los años 80, cambiando de un 35% en 1996 a cerca del 19% en el 2009.
En condiciones normales, las centrales nucleares funcionan siempre a potencia nominal. Por lo tanto, ante un pico de demanda o producción, serán otros los sistemas que tendran que desconectarse para no tener un exceso de generación en un momento dado.
Dado el caso, por ejemplo, se bajarían las térmicas o se desconectarían los aerogeneradores.

En España, el empleo mayoritario de la energía nuclear se produce en el sector industrial; y en los años 70 se estudió la viabilidad de poner en práctica un programa nuclear destinado a la fabricación de armas con capacidad nuclear, el cual, tras varios encuentros y acuerdos con representantes del gobierno americano, fue cancelado.
En la industria se utiliza para la generación de energía eléctrica.


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Mapa correspondiente a la ubicación de las centrales ( paradas y en funcionamiento) y cementerios nucleares en España:




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Bibliografíahttp://centros6.pntic.mec.es/cea.pablo.guzman/lecciones_fisica/energia_nuclear.htm<brhttp://www.energia-nuclear.net/<brhttp://www.foronuclear.org<brhttp://www.worldenergy.org<brhttp://www.cienciapopular.com/n/Ciencia/Fusion_Nuclear/Fusion_Nuclear.php<brhttp://exterior.pntic.mec.es/pvec0002/e_nuclear.htmlhttp://www.arrakis.es/~lallave/nuclear/fusion.htmhttp://www.tecnun.es/asignaturas/Ecologia/Hipertexto/07Energ/130EnNuclear.htm#Obtenci%C3%B3n%20de%20energ%C3%ADa%20por%20fisi%C3%B3n%20nuclear%20convencionalhttp://wapedia.mobi/es/Reactor_de_agua_en_ebullici%C3%B3n#1.http://es.wikipedia.org/wiki/CANDUhttp://desenchufados.net/infografia-el-proyecto-iter-la-fusion-nuclear-y-el-reactor-tokamak/http://lapizarradeyuri.blogspot.com/2009/11/energia-nuclear-de-fusion-avanzando-su.htmlhttp://www.iter.org/(inglés).http://www.csn.eshttp://qmunty.com/blog/2010/06/09/el-futuro-economico-pasa-por-la-energia-nuclear/