¿Cuánta energía crearían 100 gramos de cualquier combustible nuclear? ¿Cuántos residuos peligrosos se crearían?

Answer 1

Voy a hacer algunas suposiciones antes de responder (y corrígeme donde estoy equivocado):

Supuestos

• Estamos hablando de combustible nuclear para la fisión, no para la fusión.
• Estamos discutiendo esto solo en términos de la energía que teóricamente podrías extraer de una cantidad fija de material fisible, ignorando las discusiones sobre la necesidad de desarrollar una masa crítica (que excede los 100 gramos para todos los combustibles que conozco)
• Limitaré esto a lo que personalmente considero como combustibles de fisión prácticos (U-235, U-233 y Pu-239)
• Al hablar de la “energía” liberada, me refiero a la combinación de energías que constituyen la salida térmica de la fisión, que incluye
• Energía cinética de los productos de fisión (las piezas producidas cuando se divide un átomo), los neutrones producidos por la reacción y las partículas de emisión como las partículas beta y alfa.
• Energía en los fotones de rayos gamma emitidos por las reacciones (la fisión inicial y los gammas de los productos de fisión radiactiva)
• Energía en los neutrinos emitidos por el proceso (se le otorga un pequeño número, pero sigue ahí)

Discusión

La energía liberada por la fisión difiere ligeramente para los diversos isótopos fisionables comunes. Las estimaciones utilizadas a menudo para las reacciones de fisión individuales se dan a continuación:

• U-235: ~ 200 MeV (mega-electron voltios, que se convierte en aproximadamente 32 pico-julios por reacción)
• Pu-239: ~ 207 MeV (~ 33.2 pJ)
• U-233: ~ 198 MeV (~ 31.56 pJ)

Para proporcionar una comparación, quemar un átomo de carbono (por ejemplo, para una central eléctrica de carbón o una planta de gas natural) produce alrededor de 4 eV por evento. Eso es como en un solo Electronvoltio, no en un megavoltio que es seis órdenes de magnitud más enérgico.

EDITAR 26/05/16: Lo siento, acabo de darme cuenta de que mi respuesta original dejó fuera la parte clave de su pregunta: cuánta energía de 100 gramos. Aquí está:

Liberación de energía

Usando U-235 como ejemplo, usamos la constante de Avogadro (6.022E23 átomos de una sustancia por mol), observando que 235 g de U-235 nos dan esos 6.022E23 átomos, por lo que retrocedemos (6.022E23) * (100/235 ) = 2.53 E23 átomos en 100 g de U-235.

Múltiples 200 MeV (32 pJ) por átomo, y obtenemos un contenido de energía potencial total de 5E25 MeV o 8.1 megajulios (MJ).

“Residuos”

En cuanto a “residuos peligrosos”: cada evento de fisión da como resultado dos fragmentos de fisión o productos de fisión (ver aquí para una discusión más detallada Producto de fisión nuclear). Algunos son de corta duración en su vida media, otros son útiles para fines médicos o industriales, y otros se tratan como desechos y luego se pueden almacenar en recipientes blindados, o diluidos, o de otro modo hasta que se deterioran a niveles cercanos a los naturales. Fondo radiactivo.

La producción de estos productos de fisión puede variar un poco en función de la energía de los neutrones utilizados para dividir los átomos, el “flujo de neutrones” (intensidad del campo de neutrones) y otras medidas, pero para usar su ejemplo de 100 g de material fisible , le quedaría un inventario muy significativo de materiales radiactivos que necesitaría tener la infraestructura para proteger y manejar.

¿Ha quedado contestada su pregunta?

Answer 2

La cantidad de residuos varía mucho con el tipo de planta nuclear que utiliza. Los reactores de agua ligera tienden a desperdiciar más del 90 por ciento de la energía en uranio, la mayor parte se deja en el combustible gastado, que a su vez puede reprocesarse y usarse como combustible en los reactores reproductores / quemadores.

Después de un ciclo completo en un reactor de quemador, lo único que queda en los desechos son medios isótopos medios.

Densidad energética del uranio en mj / kg

Diesel = 45.8

Uranio natural (LWR) = 5.7 × 10 5

Uranio de grado de reactor (LWR) = 3.7 × 10 6

Uranio natural (criador) = 8.1 × 10 7

Torio (criador) 7.9 × 10 7

¿Qué es nuclear? / Energía nuclear

Debería ser lo suficientemente fácil de convertir por kg a por 100 g.

Desafortunadamente, debido a las muchas variables, es un poco difícil calcular el desperdicio real producido. El ff solo da una idea aproximada

Si todo el uso de electricidad de los EE. UU. Se distribuye de manera uniforme entre su población, y todo proviene de la energía nuclear, entonces la cantidad de desechos nucleares que cada persona generaría por año sería de 39.5 gramos .

¿Qué es nuclear? / Desperdicios nucleares

Eso es por año. Para el combustible fósil, aquí está el valor por día

La masa de los combustibles fósiles consumidos por “la persona británica promedio” es de aproximadamente 16 kg por día (4 kg de carbón, 4 kg de petróleo y 8 kg de gas).

Ch 24 Página 161: Energía sostenible – sin aire caliente

Después del reprocesamiento, los residuos líquidos de alto nivel se pueden calcinar (calentar fuertemente) para producir un polvo seco que se incorpora al vidrio de borosilicato (Pyrex) para inmovilizarlo. Luego se vierte el vidrio en botes de acero inoxidable, cada uno con 400 kg de vidrio. Los residuos de un año de un reactor de 1000 MWe están contenidos en cinco toneladas de dicho vidrio, o alrededor de 12 botes de 1.3 metros de altura y 0.4 metros de diámetro. Estos se pueden transportar y almacenar fácilmente, con el blindaje adecuado.

Descripción del ciclo del combustible nuclear

Además, no todos los desechos nucleares son iguales

¿Qué son los desechos nucleares y cómo se gestionan?

El desperdicio de alto nivel más significativo de un reactor nuclear es el combustible nuclear usado que queda después de haber pasado unos tres años en el reactor generando calor para electricidad. Los desechos de bajo nivel se componen de elementos levemente contaminados, como herramientas y ropa de trabajo de la operación de la central eléctrica, y constituyen la mayor parte de los desechos radiactivos. Los elementos desechados como desechos de nivel intermedio pueden incluir filtros usados, componentes de acero del interior del reactor y algunos efluentes del reprocesamiento.

Generar suficiente electricidad para una persona produce solo 30 gramos de combustible usado cada año.

Los desechos de alto nivel generan solo el 3% del volumen total de desechos provenientes de la generación nuclear, pero contienen el 95% de la radiactividad que surge de la energía nuclear. Los desechos de bajo nivel representan el 90% del volumen total de desechos radiactivos, pero contienen solo el 1% de la radiactividad.

¿Qué son los desechos nucleares y cómo se gestionan?

Answer 3

¡Ninguna!*

Verán, los combustibles nucleares no son como los combustibles químicos o la antimateria. No puedes simplemente tirar un trozo de plutonio en un reactor y esperar que funcione su magia. El combustible debe ser del tamaño correcto, la forma correcta y la pureza correcta. De lo contrario, podría tener un mal día. De una manera u otra.

A diferencia, por ejemplo, del carbón, donde se puede prender fuego a un bloque de cualquier tamaño: el tamaño solo afecta el tiempo y el calor que quema, y ​​no qué tan bien reacciona, el combustible nuclear no escala demasiado. Demasiado pequeño, y no hay reacción en absoluto. Demasiado grande, y la reacción se dispara sin control, y muy pronto has usado todo tu combustible a la vez. Hay un término medio, pero es muy, muy pequeño.

La potencia de salida de un trozo de combustible nuclear depende de su criticidad . La importancia crítica es la proporción de neutrones producidos (que se convierten en más combustible) a neutrones absorbidos por cada reacción de fisión. Una crítica de uno significa que la reacción apenas es autosuficiente: un neutrón golpea un átomo fisionable, que fisiona, produce otro neutrón (y mucha energía) que golpea a otro átomo fisible. Como cada reacción causa exactamente una reacción más, la potencia de salida permanece constante. Eso es lo que hacen los reactores nucleares, y es un trabajo difícil de mantener. Las reacciones nucleares odian ser perfectamente críticas. Tienden a desviarse hacia un lado u otro. Hablando de que…

Una criticidad mayor que uno es lo que hace funcionar las bombas nucleares. Aquí, un neutrón golpea un átomo fisionable, se fisiona, produce dos neutrones que golpean más átomos fisibles. Entonces esos dos átomos se fisionan y producen cuatro neutrones, que fisionan cuatro átomos para producir ocho neutrones, y así sucesivamente. Cada paso duplica la cantidad de neutrones producidos, duplica la cantidad de átomos que se fisionan y, por lo tanto, duplica la potencia de salida. Es posible que un solo átomo no libere mucha energía, pero dado que la reacción crece exponencialmente, obtienes un gran auge después de solo un par de docenas de pasos. Lo único que impide que las bombas nucleares sean aún más destructivas de lo que ya son es que, a medida que explotan, tienden a destruir el combustible restante antes de que pueda usarse.

Pero no tienes que preocuparte por nada de eso.

Una crítica menor a uno significa que cualquier reacción en cadena se esfuma rápidamente. Cada evento de fisión consume más neutrones de los que produce, por lo que muy pronto no quedan neutrones. Cualquier salida de potencia que haya habido se pone a cero en milisegundos. Y sin que queden neutrones, la única forma de obtener una nueva reacción es iniciarla usted mismo agregando neutrones de una fuente externa. Pero no se moleste: esas nuevas reacciones sufrirán el mismo destino que la primera. Es una forma bastante terrible de producir energía. Si eres realmente afortunado, podrías producir suficiente energía para calentar un poco tu mano. Pero probablemente no.

Usted especificó que tenía 100 gramos de combustible nuclear. Pero eso no te llevará a ninguna parte. No hay un solo combustible nuclear que pueda manejar una criticidad por encima de uno con esa pequeña piedra. Incluso en condiciones ideales (es decir, está utilizando el combustible nuclear más reactivo que es Californium-252, el trozo de combustible es una esfera y está rodeado por un tamper reflector de neutrones), aún necesitará otros 582 gramos de las cosas para sostener el poder. Al menos, y no obtendrás ninguna reacción. Un poco más, y acabas de convertir tu reactor en una bomba. Es una línea muy fina para caminar. Y es lo que hace que preguntas como esta sean difíciles de responder. Las cosas tienen que ser correctas, e incluso entonces hay todo tipo de eficiencias que juegan en el sistema.

La producción de energía teórica de 100 gramos de (por ejemplo) uranio 235 es de aproximadamente ocho terajulios, o 3,6 millones de hamburguesas con queso. Pero la producción de energía práctica es cero. La misma respuesta se aplica a la cantidad de residuos peligrosos que se producen.

* Técnicamente, dado que todos los combustibles nucleares son inestables, todos sufren descomposición radiactiva. Esto produce un poco de energía. Pero aún no es suficiente para calentar tu mano. Quizás deberías comprar guantes en su lugar.