Conceptos Fundamentales de la Energía Nuclear
Definiciones Clave
Fusión Nuclear: Reacción entre núcleos de átomos ligeros que conduce a la formación de un núcleo más pesado que los iniciales, acompañada de la emisión de partículas elementales y de energía.
Fisión Nuclear: Reacción en la que tiene lugar la ruptura de un núcleo pesado, generalmente en dos fragmentos cuyo tamaño es del mismo orden de magnitud, y en la cual se emiten neutrones y se libera gran cantidad de energía.
La Reacción de Fisión Nuclear en Detalle
Un núcleo pesado absorbe un neutrón y se escinde en dos núcleos más ligeros, denominados productos de fisión. Este proceso libera una gran cantidad de energía y emite simultáneamente varios neutrones (generalmente de 1 a 5), radiación gamma (fotones) y otras partículas de menor relevancia, como neutrinos. La importancia de la reacción de fisión reside precisamente en la emisión de neutrones. La clave para obtener energía de fisión radica en utilizar los neutrones producidos en una fisión para inducir reacciones adicionales, propagando así una reacción en cadena autosostenida.
Para mantener una reacción de fisión en cadena estable (en estado estacionario), es decir, que no crezca ni decaiga con el tiempo, es fundamental asegurar que, en promedio, un neutrón de cada fisión induzca una nueva fisión. La energía media liberada en una reacción de fisión del Uranio-235 (U235) es de 200 MeV. El número de fisiones por segundo necesarias para producir 1 MW de potencia en un reactor se calcula como:
Neutrones Instantáneos y Diferidos
Los neutrones son uno de los productos más importantes emitidos durante el proceso de fisión. La mayoría de los neutrones se producen en un intervalo de tiempo extremadamente corto, del orden de 10-17 segundos después de la fisión, y se denominan neutrones instantáneos. Una pequeña fracción de los neutrones totales emitidos (menos del 1%) en un reactor aparece con un cierto retardo (en promedio, unos 13 segundos) y se denominan neutrones diferidos. Estos últimos surgen durante la desintegración de los productos de fisión.
Tipos de Centrales Nucleares
Centrales PWR (Reactor de Agua a Presión)
- Moderador y Refrigerante: Agua ligera.
- Combustible: Uranio ligeramente enriquecido (UO2).
- Elementos Combustibles: Matriz cuadrada de varillas de zircaloy (típicamente 16×16).
- Presión en el Núcleo: 17 MPa (170 bares).
- Temperatura del Refrigerante:
- Entrada: 280 ºC
- Salida: 330 ºC
Estas centrales suelen contar con uno a cuatro generadores de vapor. Las barras de control se introducen por la parte superior de la vasija. Además de las barras de control, se puede verter ácido bórico al refrigerante (un absorbente de neutrones), un procedimiento exclusivo de este tipo de reactor.
Centrales BWR (Reactor de Agua en Ebullición)
El principio básico del reactor de agua en ebullición (BWR) consiste en aprovechar la energía térmica liberada por la fisión nuclear para hacer hervir el agua contenida directamente en la vasija del reactor, en contacto con las vainas del combustible. Esta misma agua actúa también como moderador de la reacción nuclear.
El vapor generado pasa a unos secadores y, posteriormente, a la turbina. La vasija de un BWR es aproximadamente el doble de grande que la de un PWR, ya que debe albergar los secadores de vapor.
- Presión: 7 MPa (70 bares).
- Temperatura: 300 ºC.
Las barras de control se introducen en el núcleo por la parte inferior, insertándose entre cuatro elementos combustibles. Los elementos combustibles suelen ser de configuración 8×8.
Dado que el vapor se produce directamente en el núcleo del reactor, las centrales BWR no requieren un generador de vapor entre los circuitos primario y secundario.
El Ciclo del Combustible Nuclear
Obtención del Material Combustible
- Minería.
- Concentración:
- Física: Eliminación de estériles.
- Química:
- Disolución del mineral en medio ácido o básico.
- Extracción por disolventes.
- Precipitación de la mezcla obtenida.
- Filtrado y secado de la mezcla.
- Obtención del yellow cake.
- Purificación:
- Disolución del yellow cake en ácido nítrico.
- Procesos de purificación.
- Obtención de UF4.
- Conversión de UF4 a UF6.
- Enriquecimiento:
- El UF6 en forma de gas se enriquece.
- Reconversión de UF6 en UF4.
- Transformación de UF4 en UO2 (óxido de uranio).
- Elaboración del Material Combustible.
Fabricación de los Elementos Combustibles
El óxido de uranio se transforma en pastillas cerámicas que se introducen en vainas de una aleación de circonio. Estas vainas se cierran con tapones herméticos y se disponen en elementos combustibles, los cuales están listos para ser transportados a los reactores.
Gestión del Combustible en el Reactor
Los elementos combustibles se colocan en una estructura metálica dentro de la vasija de presión del reactor. Cada elemento permanece en el reactor durante aproximadamente tres o cuatro años, hasta que el uranio se consume al máximo posible. Durante su estancia, cada elemento es reubicado varias veces, moviéndose desde la periferia hacia el centro. Esto se hace para que la mayor presencia de neutrones en el centro compense la disminución de uranio y la absorción parasitaria por parte de los fragmentos de fisión. Una vez gastados, los combustibles se extraen del núcleo y se almacenan en una piscina para su enfriamiento y para permitir que decaiga la radiactividad de los fragmentos de fisión.
Reprocesado del Combustible Gastado
Los combustibles gastados pueden ser reelaborados para separar los combustibles no consumidos y los productos de fisión, permitiendo su reutilización y disposición final, respectivamente (conocido como ciclo cerrado). Alternativamente, pueden tratarse directamente como residuos y almacenarse en instalaciones subterráneas denominadas repositorios (ciclo abierto). España ha optado, por el momento, por esta última opción.