¿Cuánta energía se genera a partir de un kg de uranio?

Answer 1

Sujeet, esto es simplemente una adición a las excelentes respuestas de Carl y Branko.

La energía nuclear es una aplicación de la ecuación E = Mc2 de Einstein. Si se pierde masa, hay una liberación equivalente de energía. La pérdida completa de 1 Kg de masa de cualquier cosa, en cualquier lugar, libera alrededor de 25,000 GWhr de energía térmica (vibración).
Tenga en cuenta que la respuesta de Branko permite el hecho de que U235 solo puede perder una fracción muy pequeña de su masa (alrededor del 0.1%) en el proceso de fisión.

Las plantas de energía nuclear son dispositivos que permiten perder masa de forma controlada (cambiando de un elemento a otro) y, por lo tanto, liberar energía. Si eso se hace por fisión de U235, Plutonio o Torio o por fusión de Deuterio (Hidrógeno pesado) es irrelevante, siempre que se haga con éxito y de manera segura. Las plantas de fisión modernas son notablemente seguras y exitosas, pero pueden mejorarse.

Los elementos radiactivos, como el radio, la descomposición, pierden masa y, por lo tanto, liberan energía espontáneamente. Es esta pérdida espontánea de masa lo que mantiene muy caliente el núcleo de la Tierra.

En un reactor nuclear, solo se puede perder una fracción muy pequeña de la masa de combustible y, por lo tanto, las cifras mucho más bajas citadas por Carl. Los 45 días MW de Carl equivalen a poco más de 0,5 GWhrs por 1 Kg. Esto es solo alrededor del 2% de lo que se podría obtener si se pudiera lograr el rendimiento teórico completo de Branko. Entonces tenemos un camino por recorrer. ¡Pero qué enormemente mejor es que el carbón!

Una excelente pregunta a la que mis colegas han dado excelentes respuestas.

Answer 2

En la industria de la energía nuclear, la utilización de combustible se mide por la cantidad de energía térmica liberada por tonelada métrica de material combustible. La energía es simplemente la potencia integrada durante la vida útil del combustible.

Un reactor estadounidense moderno de agua ligera tiene un consumo de combustible en el vecindario de 45 GWd / MTU (45 mil millones de vatios-día por tonelada métrica de uranio). La quema en otros reactores varía considerablemente; El reactor soviético RBMK generalmente solo alcanza unos 15 GWd / MTU. Podemos refundir estos números en términos de su unidad de interés observando que una tonelada métrica es de 1000 kg; así, en un LWR estadounidense, se puede esperar que su kg de uranio produzca 45 megavatios-días de energía. Puede ver eso como 45 MW de potencia de manera constante durante un día, o un MW de manera constante durante 45 días, etc. Tenga en cuenta que la quema se refiere a la liberación de energía TÉRMICA. Si desea saber cuánta electricidad se generó, debe multiplicar por la eficiencia térmica de la planta de energía que usa ese combustible. El 33% suele ser una buena estimación para las centrales eléctricas que hierven agua para hacer girar las turbinas. Entonces obtienes aproximadamente 15 MWd de electricidad por kg U. El resto de la energía se convierte en calor residual.

Hay algunos desafíos interpretativos potenciales con esta pregunta y quiero ser absolutamente claro acerca de los dos más importantes. En primer lugar, NO estoy respondiendo “¿Cuánta energía podrías obtener al fisionar por completo 1 kg de uranio?” Esa es una pregunta diferente! Las centrales nucleares no alcanzan este nivel de utilización de combustible por varias razones. En segundo lugar, no estoy respondiendo “¿Cuánta energía obtienes de 1 kg de uranio natural del suelo si la planta de energía toma X% de combustible enriquecido?” Leí su pregunta sobre el uranio, cualquiera que sea su composición isotópica, que se encuentra en gránulos de combustible en el reactor. Y finalmente, no considero la influencia del reprocesamiento de combustible, lo que no todos hacen y que agrega una capa de complejidad a la discusión que dudo que esté justificada. Espero que mi respuesta sea clara y útil, y si no, hágamelo saber y la agregaré en consecuencia.

Answer 3

Gracias por esas respuestas informativas. Me interesan las aplicaciones de la energía nuclear para la propulsión espacial. Aquí la falta de eficiencia, el 2% según lo declarado por Robertson, es un problema debido a la gran masa de material radiactivo que debe enviarse a la órbita.
Entiendo que solo una pequeña cantidad de la masa se puede convertir en energía incluso en teoría solo por fisión, pero ¿cuál es la causa de la pérdida de eficiencia más allá de eso?

Bob Clark

Answer 4

Una comparación más simple y aproximada con el petróleo o el carbón, la siguiente figura debería ayudar a la mayoría de las personas en este foro.

El uranio-235 contiene de dos a tres millones de veces el equivalente energético del petróleo o el carbón.

Dicho esto, con una combustión o fisión completa, aprox. Se pueden generar 8 kWh de calor a partir de 1 kg de carbón, aprox. 12 kWh de 1 kg de aceite mineral y alrededor de 24,000,000 kWh de 1 kg de uranio-235.

Uranio-235 = 18,7 millones de kW.h / kg
Carbón = 6.67kW.h / kg

Así, 18,7 millones / 6,67 = + -2,8 millones de kg de carbón por 1 kg de uranio-235.

Answer 5

Aquí hay otra forma de calcular.

Tenga en cuenta que este es un escenario hipotético que supone que tiene 1 KG de U235 puro y que todas y cada una de las fracciones de átomos (100% de quemado) y los productos de fisión no afectan de ninguna manera a la actividad adicional. No hay ninguna máquina que pueda hacer esto, pero para el propósito de este escenario:

1 kg de U235 tiene 1000 * 1 mol / 235 átomos = 25.63 * 10 ^ 23 átomos

1 átomo de U235 produce 3.2 * 10 ^ -11 J

Por lo tanto, 1 kg de U235 puro produce 82,001,702,127,659.60 J

o

22,78 GWh (térmico)

Para una respuesta práctica, vea la respuesta proporcionada por Carl Willis.

Answer 6

El poder es la energía liberada por unidad de tiempo. Esto puede variar desde la liberación muy lenta debido a la desintegración radiactiva hasta la liberación muy rápida de una explosión de bomba atómica. Sospecho que esta no es la raíz de tu pregunta. Realmente querías decir algo como: “¿Cuánta energía se puede extraer de un kg de uranio natural?”

En el límite, cada fisión de núcleo de metales pesados ​​libera alrededor de 200 MeV, de los cuales alrededor de 10 MeV es un neutrino que inevitablemente escapa sin ser utilizado. Así que llámalo 190 MeV por núcleo. Un núcleo de uranio natural promedio pesa 238.029 gramos / mol, por lo que un kg de uranio natural contiene 2.53 x 10 ^ 24 núcleos. Multiplique por 190 MeV / núcleo para obtener 7.7 x 10 ^ 13 Julios u 890 megavatios-día.

Tenemos la tecnología disponible (IFR) para extraer alrededor de 700 de estos 890 megavatios-día. Sin embargo, los reactores reales de hoy son considerablemente menos eficientes en combustible. En 2005, el promedio de toda la flota para reactores en los EE. UU. Fue de aproximadamente 50 MW-días / kg de carga de metales pesados, y eso fue combustible enriquecido a aproximadamente 4.5% de U-235, dejando aproximadamente 180 kg de uranio empobrecido sin usar. Entonces, de 181 kg de uranio natural, 50 MW-días de los 160,000 MW-días teóricos se extraen hoy o aproximadamente 0.03% de eficiencia. Luego, esta energía se transforma en electricidad utilizando un motor térmico de aproximadamente el 32% de eficiencia, por lo que, en general, utilizamos aproximadamente el 0.01% del potencial de uranio natural en los reactores nucleares de hoy. ¡Imagine el potencial de la energía nuclear si se nos permitiera mejorar esta tecnología!

Answer 7

1 kg de uranio puede producir, teóricamente, 24,000,000 de unidades (KW horas). Esto es equivalente a una estación de energía de 240 MW que suministra energía durante 100 horas, teóricamente.