Las centrales nucleares usan combustible nuclear para producir calor que se usa para alimentar turbinas. Cuando el combustible nuclear sufre fisión, se produce un calor tremendo. (Cuando un átomo se divide en dos partes, ya sea por descomposición natural o cuando se instiga dentro de un laboratorio, libera energía. Este proceso se conoce como fisión.) La mayoría de los combustibles nucleares como el uranio-235 o el plutonio 239 contienen elementos que son capaces de Fisión nuclear. Estos se conocen como ‘metales radioactivos’. Dichos metales contienen núcleos inestables , lo que significa que las fuerzas nucleares fuertes no generan suficiente energía de unión para mantener unido el núcleo. Son núcleos inestables que son radiactivos y se denominan núcleos radiactivos y en el caso de sus isótopos llamados radioisótopos.
(Todos los isótopos radiactivos se descomponen. El U-238 se descompone muy lentamente, su vida media es casi la misma que la edad de la Tierra: 4.50 mil millones de años. Esto significa que es apenas radiactivo. Sin embargo, genera 0.1 vatios / tonelada como calor de descomposición y esto es suficiente para calentar el núcleo de la Tierra. El U-235 se descompone un poco más rápido).
El núcleo del átomo de U-235 comprende 92 protones y 143 neutrones (92 + 143 = 235). Cuando el núcleo de un átomo de U-235 captura un neutrón en movimiento, se fisiona o se divide en dos y libera energía en forma de calor, también se emiten dos o tres neutrones adicionales. Si una cantidad suficiente de estos neutrones expulsados hace que los núcleos de otros átomos de U-235 se dividan, liberando más neutrones, se logra una ‘reacción en cadena’ de fisión. De ahí el nombre de “reactor”. Cuando esto sucede una y otra vez, muchos millones de veces, se produce una gran cantidad de calor a partir de una cantidad relativamente pequeña de uranio. Es este proceso, que ocurre en un reactor nuclear. El calor se usa para producir vapor para hacer funcionar turbinas que producen electricidad.
El uranio natural consta de tres isótopos: uranio-238, uranio-235 y uranio-234. Los isótopos de uranio son radiactivos. Los núcleos de los elementos radiactivos son inestables, lo que significa que se transforman en otros elementos, generalmente mediante la emisión de partículas. Este proceso, conocido como desintegración radiactiva, generalmente produce la emisión de partículas alfa o beta desde el núcleo. A menudo también se acompaña de la emisión de radiación gamma, que es radiación electromagnética, como los rayos X. Estos tres tipos de radiación tienen propiedades muy diferentes en algunos aspectos, pero todos son radiación ionizante: cada uno es lo suficientemente energético como para romper enlaces químicos, por lo que posee la capacidad de dañar o destruir las células vivas. La radiactividad es el proceso en el que los núcleos atómicos inestables se descomponen espontáneamente para formar núcleos con una mayor estabilidad mediante la liberación de partículas subatómicas energéticas. Las partículas subatómicas y su energía asociada que se liberan durante la descomposición de los núcleos inestables se denominan radiación.
- Si un grupo de terroristas tiene en sus manos un depósito de desechos nucleares, y suponiendo que tengan el conocimiento para construir una bomba nuclear, ¿pueden hacerlo?
- ¿Por qué no hemos usado o probado naves espaciales de propulsión nuclear?
- ¿Se acerca un invierno nuclear en el futuro cercano?
- ¿Cuáles son los conceptos erróneos más comunes sobre la energía nuclear?
- ¿Qué importancia tiene el helio-3 como sustituto de la energía nuclear?
La propiedad del uranio que es importante para la energía nuclear es su capacidad de fisión, o dividirse en dos fragmentos más ligeros cuando se bombardea con neutrones, liberando energía en el proceso. De los isótopos de uranio naturales, solo el uranio-235 puede soportar una reacción en cadena, una reacción en la que cada fisión produce suficientes neutrones para desencadenar otra reacción, y otra, y así sucesivamente, de modo que el proceso de fisión se mantenga sin ninguna fuente externa adicional de neutrones En contraste, el uranio-238 no puede sostener una reacción en cadena, pero puede convertirse en plutonio-239, que puede. El plutonio-239 es prácticamente inexistente en la naturaleza.
El uranio no puede usarse directamente como combustible. Antes de que pueda usarse en un reactor, se somete a una serie de procesos para producir un combustible utilizable. El primer paso es convertir el óxido de uranio en un gas, el hexafluoruro de uranio, que le permite “enriquecerse”. El enriquecimiento aumenta la proporción del isótopo de uranio-235 de su nivel natural de 0.7% a aproximadamente 5%. Esto permite una mayor eficiencia técnica en el diseño y operación del reactor, particularmente en reactores más grandes, y permite el uso de agua ordinaria como refrigerante. Después del enriquecimiento, el paso final es convertir el gas hexafluoruro de uranio en dióxido de uranio que se forma en gránulos de combustible al hornear el dióxido de uranio a alta temperatura. Cuando se usa en un reactor, los combustibles utilizados pueden tener una variedad de formas diferentes: un metal, una aleación o algún tipo de óxido. La mayoría de los reactores nucleares son alimentados por dióxido de uranio.
El proceso de fisión libera una energía tremenda, y por esta razón los componentes de fisión (uranio-235 y / o plutonio-239) deben mantenerse en una forma física robusta capaz de soportar altas temperaturas de funcionamiento y un ambiente de radiación de neutrones intenso. Se espera que las estructuras de combustible mantengan su forma durante largos períodos dentro del núcleo del reactor, evitando así la fuga de productos de fisión en el refrigerante del reactor.
El combustible nuclear utilizado en los reactores generalmente está en forma de gránulos de cerámica. Las dimensiones de los gránulos utilizados en las barras de combustible son típicamente de 12 mm de diámetro x 20 mm de alto y esto se controla con precisión para garantizar la consistencia en las características del combustible. Los gránulos se envuelven en tubos de metal para formar lo que se conoce como barras de combustible. – 4 se reunieron a lo largo, cuidadosamente agrupados en aproximadamente 200 barras de este tipo por paquete, listas para su introducción en un reactor. Alrededor de 150 de estos paquetes se cargan en el núcleo del reactor. (depende del tipo de reactor) . En un reactor típico de gran potencia puede haber 51,000 barras de combustible que contienen más de 18 millones de pastillas.
Imagen cortesía de: Pinterest
Para información, un reactor de 1000 MW requiere 27 toneladas de uranio enriquecido fresco cada año. Después de que el combustible haya pasado unos tres años en un reactor para producir electricidad, el combustible usado puede someterse a una serie de pasos adicionales que incluyen almacenamiento temporal, reprocesamiento y reciclaje antes de que se eliminen los desechos. Colectivamente, estos pasos se conocen como el “back end” del ciclo de combustible. El uranio recuperado del reprocesamiento, que generalmente contiene una concentración ligeramente mayor de U-235 que la que se produce en la naturaleza, puede reutilizarse como combustible después de la conversión y el enriquecimiento.
Con el tiempo, la concentración de fragmentos de fisión y elementos pesados formados de la misma manera que el plutonio en el combustible aumentará hasta el punto en que ya no sea práctico continuar usando el combustible, aunque queda mucho potencial en él. Por lo tanto, cada tres años, el combustible usado de los reactores necesita reemplazo, por lo que cada año, un tercio de las barras de combustible se eliminan y se reemplazan con barras de combustible nuevas.
El combustible usado todavía contiene aproximadamente el 96% de su uranio original, de los cuales el contenido fisionable de U-235 se ha reducido a menos del 1%. Alrededor del 3% del combustible usado comprende productos de desecho y el 1% restante es plutonio. El plutonio se puede convertir directamente en combustible de óxido mixto (MOX), en el que se combinan los óxidos de uranio y plutonio. Hay reactores que usan combustible MOX, en el que el plutonio sustituye al U-235 en el combustible de óxido de uranio normal.
El uranio-238 emite partículas alfa que son menos penetrantes que otras formas de radiación, y rayos gamma débiles. Mientras permanezca fuera del cuerpo, el uranio representa un pequeño peligro para la salud (principalmente de los rayos gamma) . Pero si se inhala o se ingiere, sin embargo, su radioactividad plantea mayores riesgos de cáncer de pulmón y de huesos. El uranio también es químicamente tóxico en altas concentraciones y puede causar daño a los órganos internos, especialmente a los riñones y aumentar el riesgo de leucemia y cánceres de tejidos blandos.
Combustible nuclear – Educación energética
Descripción del ciclo del combustible nuclear