Funcionamiento de la fusión nuclear
A dos núcleos de átomos ligeros, normalmente isótopos de hidrógeno (el deuterio y el tritio), se les somete a altas temperaturas, fusionándose en un núcleo más denso y pesado, normalmente helio. Esta reacción genera gran cantidad de energía en forma de rayos Gamma sumada a la energía cinética de los neutrones que se emiten.
Algunas características de los isótopos de hidrógeno utilizados son:
- El deuterio es un isótopo estable, formado por un protón y un neutrón. El contenido energético del deuterio es muy elevado, de forma que la energía contenida en un litro de agua de mar equivale a tener 250 litros de petróleo.
- El tritio, es un isótopo inestable, compuesto por un protón y dos neutrones que se desintegra con bastante rapidez. Aunque el tritio es escaso en la naturaleza, se puede generar a partir del litio, abundante en la corteza terrestre y en el agua del mar.
Para que esta reacción pueda tener lugar, son necesarias:
- Temperaturas muy elevadas.
- Cantidades elevadas de agua para evacuar las altas temperaturas generadas en la reacción.
- Mantener un número suficiente de núcleos para obtener suficiente energía para calentar y retener el gas.
- Mantener los núcleos cerca puesto que tienden a repelerse.
Las soluciones encontradas hasta el momento para conseguir llevar a cabo esta reacción son:
- Acelerar los núcleos en un acelerador de partículas que requiere demasiada energía.
- Confinamiento inercial mediante láser.
- Confinamiento magnético por agitación térmica con el problema de las elevadas temperaturas alcanzadas.
Ventajas de la fusión nuclear frente a la fisión
Tanto la energía nuclear generada por fusión, como la generada por fisión, no producen emisiones de gases de efecto invernadero a la atmósfera. Sin embargo, entre ellas existen diferencias muy importantes, que hacen de la fusión nuclear más atractiva como fuente generadora de electricidad.
- Las reacciones producidas en la fusión son más seguras. La fisión produce reacciones en cadena que pueden originar accidentes.
- La fusión puede generar de 3 a 4 veces más energía que la fisión.
- El recurso utilizado como combustible es relativamente barato, está repartido uniformemente en el planeta y se considera inagotable. En cambio, el combustible utilizado en la fisión nuclear se extrae de minas de uranio, cada vez más escasas.
- La fusión no genera residuos radiactivos que haya que almacenar en el reactor durante miles de años, como sí ocurre con la energía nuclear por fisión.
Avances de la tecnología
Lockheed Martin, empresa del sector aeroespacial en Estados Unidos, afirma aunque sin aportar datos concretos, haber realizado un gran avance en el campo de la fusión nuclear consistente en el modo de contener la cantidad de calor generada en la reacción, que puede alcanzar cientos de millones de grados. Confirman que en menos de 10 años podrían estar operativos reactores de energía de fusión de pequeño tamaño, capaces de abastecer a pequeñas ciudades. Esta empresa sostiene, además, que «la energía del calor que se genera con este reactor de fusión compacto hará funcionar los generadores de turbinas, reemplazando las cámaras de combustión por simples intercambiadores de calor. A su vez, las turbinas generarán electricidad o la energía de propulsión para diversas aplicaciones».
Un caso más tangible es el del proyecto ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), que está construyendo su instalación de demostración en Cadarache, al sur de Francia. Se trata de un proyecto de investigación en el que participan la Unión Europea, Canadá, EEUU, Japón y Rusia, con el objetivo de determinar la viabilidad técnica y económica de la fusión nuclear por confinamiento magnético para la generación de energía eléctrica.
LAS CENTRALES NUCLEARES
Las centrales nucleares las podemos entender como fábricas de energía y, hoy por hoy, son una de las principales fuentes energéticas en nuestro país. En la mayoría de los casos se dedican a la producción de electricidad. En España hay 8 reactores nucleares que, a diferencia de las centrales térmicas o hidráulicas, utilizan como combustible el uranio. ¿Sabes como funcionan? Te enseñamos cómo.
La energía nuclear es una de las principales fuentes productoras de electricidad en España. Según ForoNuclear, en 2011 los ocho reactores nucleares españoles en activo produjeron 57.687 GWh, casi una quinta parte de la electricidad del país. Es decir, según estos datos, ha sido la fuente que más electricidad ha generado en 2011 y la que más horas ha operado.
Pero ¿cómo funcionan las centrales nucleares? Una central nuclear es parecida a una central termoeléctrica, ambas utilizan una fuente de calor para convertir un líquido en vapor a alta temperatura. Este vapor circula por un conjunto de conductos y acciona un grupo de turbinas y condensadores para producir energía eléctrica. La diferencia es la reacción física por la que se obtiene la energía que, en el caso de las centrales nucleares, es una reacción nuclear de fisión de núcleos de uranio. Por tanto, la energía nuclear viene de la desintegración de los núcleos de algunos átomos y de la liberación de la energía almacenada en el núcleo de los mismos.
Funcionamiento de una central nuclear
Para descubrirlo debemos familiarizarnos con las centrales nucleares, unas instalaciones de alta seguridad compuestas de varias partes:
– El núcleo o reactor nuclear, situado en el edificio de contención
– El edificio de turbinas
– El condensador
– Torre de refrigeración
– El alternador
– El transformador
– Sala de control
La parte más característica de la instalación es el edificio de contención que alberga el reactor nuclear. Es como un búnquer, normalmente construido en hormigón armado con las paredes recubiertas de acero para hacerlo lo más resistente posible, ya que la energía generada es muy potente. El uranio se deposita allí en forma de pequeñas pastillas cilíndricas.
Es en el reactor nuclear donde se producen las reacciones que generan el calor. Con éste calor se calienta agua para producir el vapor de agua, que se usa en el proceso para producir la electricidad. Las centrales suelen estar cerca del mar o de un lago o río ¿te has preguntado por qué? Como ves necesitan del agua en su proceso de fabricación de electricidad, y para bajar la temperatura del condensador. Aunque a veces también se consigue este objetivo mediante una torre de refrigeración por donde sale vapor de agua.
Una vez producida la electricidad, el transformador recoge la energía eléctrica y es el encargado de subir la tensión y de conectar con la red de alta tensión para que la energía vaya donde se necesita a través del sistema eléctrico.
Todo este proceso es supervisado por los operarios de la central nuclear desde la sala de control para que el proceso se produzca en condiciones de seguridad.
ENERGÍA NUCLEAR
Explicar los fundamentos de la energía nuclear de un modo sencillo no es tarea fácil, pero puesto que tras la catástrofe de Fukushima en marzo de 2011 el tema ha dado mucho que hablar, ¡vamos a intentarlo! A fin de cuentas y hasta nueva orden, esta energía produce en España alrededor del 20% del total de la producción del sistema eléctrico nacional.
Tenemos que remitirnos a Einstein y su famosa ecuación E=mc2 (energía igual a masa por velocidad de la luz al cuadrado). Simplificando el proceso y haciéndolo más entendible, podríamos decir que la clave es la desintegración de los átomos. Ahora bien, ¿cómo es posible desintegrar estas partículas tan pequeñas? Para entenderlo debemos antes recordar que un átomo se compone de un núcleo central con protones (con energía positiva) y neutrones (sin carga) adosados, alrededor de los cuales orbitan los electrones (con energía negativa).
Pues bien, la desintegración de un átomo se consigue liberando la energía de su núcleo pesado y eso es posible bombardeándolo literalmente con neutrones, de manera que se descompone en dos núcleos más ligeros y ese proceso, llamado fisión, genera energía. En la fisión se emiten dos o tres neutrones que pueden seguir interaccionando con otros núcleos reproduciendo el mismo proceso. Es lo que comúnmente se conoce como «reacción en cadena«.
Explicado de esta manera, podría pensarse en una reacción en cadena incontrolable y, por tanto, peligrosa. El quid de la cuestión -y el principio básico de un reactor nuclear- radica en controlar que tan sólo uno de los neutrones liberados produzca una fisión posterior. Si ningún neutrón continúa, la reacción se pierde, y si hay más de dos, se pierde el control y se produce la explosión nuclear.
¿Y la fusión nuclear?
Es otro proceso en el que también se libera mucha energía pero en el que, a diferencia del anterior, en lugar de separarse los núcleos pesados, lo que sucede es que se unen dos núcleos ligeros (dando lugar a uno pesado). Se trata de un proceso mucho más complejo que la fisión y no se emplea en las centrales nucleares. De hecho, está siendo objeto de estudio para ver su viabilidad en términos de seguridad, cantidad y coste en el Proyecto ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). De prosperar la investigación, podría convertirse en una fuente de energía no contaminante.
¿Dónde aparece el uranio, del que tanto se habla cuando se aborda la energía nuclear?
Hasta ahora hemos hablado de átomos y éstos componen la materia; bien, el uranio es esta materia, es decir, que los átomos que se descomponen liberando la energía son de uranio. Sus residuos radiactivos pueden ser de baja actividad (no generan calor y su periodo de semidesintegración es menor de 30 años) y los de alta actividad (contienen radionucleidos emisores alfa y no reducen su actividad a la mitad hasta pasados más de 30 años).
Y la electricidad, ¿cómo se produce entonces?
La energía liberada del uranio produce calor con el que se hierve el agua de las vasijas de los reactores. Entonces, se genera vapor de agua que mueve unas turbinas y, tras su paso por un alternador,