Cómo funciona una central nuclear

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Por John T. Moore, Chris Hren, Peter J. Mikulecky

En muchos aspectos, una planta de energía nuclear es similar a una planta de energía convencional de combustibles fósiles. En una planta convencional, se quema un combustible fósil (como el carbón, el petróleo o el gas natural) y el calor se utiliza para hervir el agua, que a su vez se utiliza para producir vapor. El vapor se utiliza para hacer girar una turbina que está conectada a un generador que produce electricidad.

La gran diferencia entre una planta de energía convencional y una planta de energía nuclear es que la planta de energía nuclear produce calor a través de reacciones en cadena de fisión nuclear.

Comprender cómo las centrales nucleares producen electricidad

La mayoría de la gente cree que los conceptos detrás de las centrales nucleares son tremendamente complejos. Ese no es el caso.

Un isótopo fisionable, como el uranio-235, está contenido en las varillas de combustible en el núcleo del reactor. Todas las barras de combustible juntas constituyen la masa crítica. Las barras de control, comúnmente hechas de boro o cadmio, están en el núcleo y actúan como esponjas neutrónicas para controlar la tasa de descomposición radioactiva. Los operadores pueden detener completamente una reacción en cadena empujando las barras de control hasta el núcleo del reactor, donde absorben todos los neutrones. Los operadores pueden entonces sacar las barras de control poco a poco para producir la cantidad deseada de calor.

Un líquido (agua o a veces sodio líquido) circula a través del núcleo del reactor, donde absorbe el calor generado por la reacción de fisión. El líquido fluye entonces hacia un generador de vapor, donde se produce vapor a medida que el calor es absorbido por el agua. Este vapor se canaliza a través de una turbina de vapor que está conectada a un generador eléctrico. El vapor se condensa y se recicla a través del generador de vapor. Este proceso forma un sistema cerrado, es decir, no se escapa agua ni vapor; todo se recicla.

El líquido que circula a través del núcleo del reactor también forma parte de un sistema cerrado. Este sistema cerrado ayuda a asegurar que no se produzca ninguna contaminación del aire o del agua.

Las desventajas de las centrales nucleares

Estados Unidos tiene aproximadamente 100 reactores nucleares, que producen un poco más del 20 por ciento de la electricidad del país. En Francia, casi el 80 por ciento de la electricidad del país se genera a través de la fisión nuclear. Las centrales nucleares tienen ciertas ventajas. No se queman combustibles fósiles (ahorrando recursos de combustibles fósiles para la producción de plásticos y medicinas), lo que significa que no hay productos de combustión, como dióxido de carbono, dióxido de azufre, etc., que contaminen el aire y el agua. Pero hay problemas significativos asociados con las centrales nucleares.

Problemas de costos: No son baratos

Las centrales nucleares son caras de construir y operar. La electricidad generada por la energía nuclear cuesta aproximadamente el doble que la electricidad generada a través de combustibles fósiles o plantas hidroeléctricas. Otro problema es que el suministro de uranio fisionable-235 es limitado. De todo el uranio natural, sólo alrededor del 0,75 por ciento es U-235. Una gran mayoría son U-238 no fisionables. Con los niveles actuales de uso, el mundo se quedará sin el U-235 natural en menos de 100 años. Se puede ganar un poco más de tiempo con el uso de reactores reproductores, pero la cantidad de combustible nuclear disponible en la tierra es limitada, al igual que lo es la cantidad de combustibles fósiles.

Cuestiones de seguridad: Accidentes en Three Mile Island y Chernobyl

Aunque los reactores nucleares realmente tienen un buen historial de seguridad, la desconfianza y el miedo asociados a la radiación hacen que la mayoría de la gente sea sensible a los problemas de seguridad y a los accidentes. El accidente más grave ocurrido en los Estados Unidos ocurrió en 1979 en la planta de Three Mile Island en Pensilvania. Una combinación de error del operador y falla del equipo causó una pérdida del refrigerante del núcleo del reactor. La pérdida de refrigerante provocó una fusión parcial y la liberación de una pequeña cantidad de gas radioactivo. No se produjeron pérdidas de vidas ni lesiones al personal de la planta ni a la población en general.

El resultado fue mucho peor en Chernóbil, Ucrania, en 1986. El error humano, junto con el diseño y la ingeniería deficientes del reactor, contribuyó a un tremendo sobrecalentamiento del núcleo del reactor, lo que provocó su ruptura. Se produjeron dos explosiones y un incendio, que hicieron estallar el núcleo y dispersaron material nuclear en la atmósfera. Una pequeña cantidad de este material llegó a Asia y gran parte de Europa. Cientos de personas murieron. Muchos otros sintieron los efectos del envenenamiento por radiación. Los casos de cáncer de tiroides, posiblemente causados por la liberación de I-131, han aumentado dramáticamente en las ciudades que rodean Chernobyl, y los efectos completos de este desastre no se conocerán por completo durante muchos años.

Problemas de eliminación: Deshacerse de las cosas

El proceso de fisión produce grandes cantidades de isótopos radioactivos. La vida media de estos isótopos radiactivos puede ser bastante larga, lo que crea un problema de eliminación. El material no se va a degradar por sí solo, así que hay que cuidarlo de alguna manera.

¿Cómo pueden almacenarse de forma segura los residuos nucleares hasta que la radiactividad residual de los isótopos haya descendido a límites seguros (diez semividas)? ¿Cómo podemos proteger el medio ambiente y a nosotros mismos y a nuestros hijos de este desperdicio para las generaciones venideras? Estas cuestiones son, sin duda, el problema más grave asociado con el uso pacífico de la energía nuclear.

Los residuos nucleares se dividen en materiales de baja y alta actividad, en función de la cantidad de radiactividad emitida. En los Estados Unidos, los desechos de bajo nivel se almacenan en el sitio de generación o en instalaciones especiales de almacenamiento. Los residuos son básicamente enterrados y custodiados en los sitios. Los desechos de alta actividad plantean un problema mucho mayor. Están siendo almacenados temporalmente en el sitio de generación, con planes de sellar eventualmente el material en vidrio y luego en tambores. El material será almacenado bajo tierra en Nevada. En cualquier caso, los residuos deben mantenerse seguros y sin perturbaciones durante al menos 10.000 años. Otros países se enfrentan a los mismos problemas. Algunos materiales nucleares han sido arrojados a trincheras profundas en el mar, pero esta práctica ha sido desalentada por muchas naciones.

Producción de plutonio con reactores reproductores

Sólo el isótopo U-235 del uranio es fisionable, porque es el único isótopo del uranio que produce el exceso de neutrones necesario para mantener una reacción en cadena. El isótopo U-238, mucho más abundante, no produce esos neutrones adicionales.

El otro isótopo fisionable de uso común, el plutonio-239 (Pu-239), es muy raro en la naturaleza. Pero los científicos pueden fabricar Pu-239 a partir de U-238 en un reactor de fisión especial llamado reactor reproductor. El uranio-238 es bombardeado primero con un neutrón para producir el U-239, que decae a Pu-239. Aquí se muestra el proceso.

El proceso del reactor Breeder.

Los reactores reproductores pueden prolongar el suministro de combustibles fisionables durante muchos, muchos años, y actualmente se están utilizando en Francia. Pero Estados Unidos está avanzando lentamente en la construcción de reactores reproductores debido a varios problemas asociados con ellos. Primero, son extremadamente caros de construir. En segundo lugar, producen grandes cantidades de residuos nucleares. Y finalmente, el plutonio que se produce es mucho más peligroso de manejar que el uranio y puede ser utilizado fácilmente en una bomba atómica.

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