La energía

La energía. Es la capacidad para realizar un trabajo, hay muchos tipos diferentes de energía, como:

• La luz
• El sonido
• El calor

La energía es la capacidad de realizar un trabajo, es decir, para hacer cualquier cosa que implique un cambio (un movimiento, una variación de temperatura, una transmisión de ondas, etc.), Es necesaria la intervención de la energía.

La unidad de medida que utilizamos para cuantificar la energía es el joule (J), en honor al físico inglés James Prescott Joule.

Tipos de energía

La energía se manifiesta de diferentes maneras, recibiendo así diferentes denominaciones según las acciones y los cambios que puede provocar.

Energía mecánica

La energía mecánica es aquella relacionada tanto con la posición como con el movimiento de los cuerpos y, por tanto, involucra a las distintas energías que tiene un objetivo en movimiento, como son la energía cinética y la potencial. Su fórmula es:

Em = Ep + Ec

Donde Em es la energía mecánica (J), Ep la energía potencial (J) y Ec la energía cinética (J).

La energía potencial hace referencia a la posición que ocupa una masa en el espacio. Su fórmula es:

Ep = m · g · h

Donde m es la masa (kg), g la gravedad de la Tierra (9,81 m/s2), h es la altura (m) y Ep la energía potencial (J = Kg · m2/s2 ).

La energía cinética por su parte se manifiesta cuando los cuerpos se mueven y está asociada a la velocidad. Se calcula con la fórmula:

Ec = ½ m · v2

Donde m es la masa (Kg), v la velocidad (m/s) y Ec la energía cinética (J=Kg·m2/s2).

Energía interna

La energía interna se manifiesta a partir de la temperatura. Cuanto más caliente esté un cuerpo, más energía interna tendrá.

Energía eléctrica

Cuando dos puntos tienen una diferencia de potencial y se conectan a través de un conductor eléctrico se genera lo que conocemos como energía eléctrica, relacionada con la corriente eléctrica.

Energía térmica

Se asocia con la cantidad de energía que pasa de un cuerpo caliente a otro más frío manifestándose mediante el calor.

Energía electromagnética 

Esta energía se atribuye a la presencia de un campo electromagnético, generado a partir del movimiento de partículas eléctricas y magnéticas moviéndose y oscilando a la vez. Son lo que conocemos como ondas electromagnéticas, que se propagan a través del espacio y se trasladan a la velocidad de la luz.

El Sol es un ejemplo de ondas electromagnéticas que se pueden manifestar como luz, radiación infrarroja y también ondas de radio.

Energía química

La energía química se manifiesta en determinadas reacciones químicas en las que se forman o rompen enlaces químicos. El carbón, el gas natural o el funcionamiento de las baterías son algunos ejemplos del uso de esta energía.

La energía nuclear

La energía nuclear es la que se genera al interactuar los átomos entre sí. Puede liberarse a través de su rotura, lo que se conoce como fisión, o de su unión, lo que se denomina fusión.

Unacentral nuclear es una instalación industrial que generar electricidad a partir de la energía nuclear. Forma parte de la familia de las centrales termoeléctricas, lo que implica que utiliza el calor para generar la energía eléctrica. Este calor proviene de la fisión de materiales como el uranio y el plutonio. Más adelante veremos qué es la radioactividad, ahora te proponemos un juego interactivo para conocer qué es una central nuclear.

Funcionamiento de una central nuclear

El funcionamiento de una central nuclear se basa en el aprovechamiento del calor para mover una turbina por la acción del vapor de agua, la cual está conectada a un generador eléctrico. Para conseguir el vapor de agua se utiliza como combustible el uranio o el plutonio. El proceso se puede simplificar en cinco fases:

1. La fisión del uranio se lleva a cabo en el reactor nuclear, liberando una gran cantidad de energía que calienta el agua hasta evaporarla. 
2. Este vapor se transporta al conjunto turbina–generador mediante un circuito de vapor. 
3. Una vez ahí, las aspas de la turbina giran por la acción del vapor y mueven el generador, que trasforma la energía mecánica en electricidad. 
4. Cuando el vapor de agua ha pasado por la turbina, se envía a un condensador donde se enfría y se vuelve líquido. 
5. Después, el agua se transporta para volver a conseguir vapor, cerrando así el circuito del agua.

Los residuos generados por la fisión del uranio son almacenados dentro de la propia central, en unas piscinas de hormigón especiales para materiales radioactivos.

Reactores nucleares de fisión

Un reactor nuclear de fisión es una instalación capaz de iniciar, mantener y controlar las reacciones de fisión en cadena, disponiendo de los medios adecuados para extraer el calor generado. Sus elementos principales son:

• Combustible. Formado por un material fisionable, generalmente compuesto de uranio en el que tienen lugar las reacciones de fisión. Es la fuente de generación de calor. 
• Moderador. Hace disminuir la velocidad de los neutrones rápidos generados en la fisión, manteniendo la reacción. Se acostumbra a utilizar agua, agua pesada, helio, grafito o sodio metálico.
• Elementos de control. Permiten controlar en todo momento la población de neutrones y mantener estable el reactor. 
• Refrigerante. Extrae el calor generado por el combustible. Generalmente se utilizan refrigerantes líquidos como el agua ligera, el agua pesada o gases como el anhídrido carbónico y el helio. 
• Blindaje. Evita que les radiaciones y los neutrones del reactor se escapen al exterior. Por lo general, se utiliza hormigón, acero o plomo. 
• Elementos de seguridad. Todas las centrales nucleares de fisión disponen de múltiples sistemas de seguridad para evitar que se libere radioactividad al exterior.

Tipos de reactores nucleares

Los reactores térmicos se pueden clasificar según el moderador que utilicen. Generalmente, cada moderador tiene asociado un tipo de combustible y un tipo de refrigerante. Las diferencias esenciales entre estos reactores son los siguientes:

Reactores de agua ligera

Dentro de este grupo existen dos tipos de reactores:

1. Reactor de agua a presión (PWR – Pressurized water reactor): Utilizan agua como moderador y refrigerante. El combustible utilizado es el uranio ligeramente enriquecido en forma de dióxido de uranio. Este tipo de reactor se ha desarrollado principalmente en los Estados Unidos, Rusia, Alemania, Francia y Japón.
2. Reactor de agua en ebullición (BWR – Boiling water reactor):  En este tipo de reactor, una parte del agua del refrigerante (que a la vez actúa como moderador) pasa a la fase vapor en el propio reactor. Se ha desarrollado principalmente en los Estados Unidos.

Reactor de agua pesada

El reactor de agua pesada utiliza el uranio natural como combustible, mientras que el agua pesada se usa como moderador y como refrigerante. Este tipo de reactor se ha desarrollado principalmente en Canadá.

Reactor de uranio natural, gas y grafito

Utiliza el uranio natural en forma metálica como combustible; el grafito como moderador, y el anhídrido carbónico como refrigerante. Estos reactores se han desarrollado principalmente en Francia y Gran Bretaña.

Reactor avanzado de gas

Utilizan óxido de uranio ligeramente enriquecido y dispuesto en tubos de acero inoxidable como combustible.

Reactor de grafito y agua ligera

Este diseño, exclusivamente soviético, utiliza uranio ligeramente enriquecido como combustible; grafito como moderador, y agua como refrigerante, que se transforma en vapor en el propio reactor.

Características de una central nuclear de agua a presión (PWR)

El combustible que utilizan las centrales nucleares PWR es dióxido de uranio enriquecido. El proceso comienza introduciéndolo en forma de pastillas en unos tubos.  Los elementos de combustible se refrigeran mediante un circuito de agua (llamado circuito primario) que, a su vez, sirve como moderador. El agua aumenta la temperatura y se mantiene en estado líquido a causa de la elevada presión del sistema.

El refrigerante circula por los generadores de vapor, cediendo el calor a otro circuito de agua diferente y totalmente independiente (circuito secundario) que se transforma en vapor, haciendo girar los álabes de la turbina, que está acoplada a un generador eléctrico.  El vapor, una vez ha pasado por la turbina, se condensa y vuelve al generador de vapor.

Todo este circuito está situado en el interior de un edifico de contención, constituido de hormigón armado con un espesor de entre 50 y 100 cm y con un cubrimiento interior de acero que hace que sea hermético. Este edificio de contención se mantiene por debajo de la presión atmosférica para evitar, en caso de accidente, que los posibles escapes salgan al exterior.

Características de una central nuclear de agua en ebullición (BWR)

Las centrales BWR se diferencian de las centrales PWR principalmente en que no tienen circuito de agua secundario. Además, el circuito primario trabaja a una presión inferior y el vapor se produce en el reactor desde donde se envía directamente a la turbina para mover el generador.

Tanto las centrales PWR como las BWR disponen de un edificio de combustible que sirve para almacenar los elementos de combustible nuevos y para guardar el combustible ya utilizado hasta que se pueda trasladar a un centro de almacenaje final de combustible gastado.

El edificio de combustible y el de contenciónestán conectados entre sí para poder trasladar los elementos combustibles sin salir de la zona controlada de la central y que se encuentra totalmente aislada del resto de instalaciones de la central.

Además, las centrales nucleares disponen de edificios auxiliares donde están situados los equipos y sistemas de seguridad.

Qué es la radioactividad

Visto el funcionamiento de una central nuclear vamos a ver más en detalle qué es la radioactividad. Se trata de un fenómeno físico que consiste en la emisión o propagación de energía en forma de ondas o de partículas subatómicas como, por ejemplo, las ondas electromagnéticas emitidas por el Sol o las partículas emitidas por sustancias radioactivas.

Es una propiedad interna de los átomos, por lo que está muy relacionada con el estudio de la estructura de la materia A lo largo de la historia, numerosos científicos investigaron e hicieron importantes avances sobre qué es la radioactividad y en qué consiste. Entre ellos destacan: Rutherford, Pierre y Marie Curie, Bequerel, Geiger y Marsden, Planck, Bohr o Hertz.

Emisiones radioactivas

Cuando se produce alguna transformación en los núcleos atómicos se emiten partículas y radiaciones electromagnéticas de elevada frecuencia. Hay elementos que pueden producir este fenómeno de manera natural y hay otros de los que se pueden obtener isótopos radioactivos de forma artificial.

Radiactividad natural

Es la radioactividad que existe en la naturalezasin intervención humana. Puede ofrecer tres tipos de transiciones radioactivas, a cada una de las cuales le corresponde un tipo de radiación:

1. Radiación Alfa. Una desestabilización del núcleo puede llegar a hacer que dos protones y dos neutrones se junten y formen un núcleo de helio con energía suficiente como para abandonar el núcleo inicial.
2. Radiación Beta. En esta radiación un neutrón se transforma en un protón. Esta radiación es mucho más penetrante que la radiación Alfa y para frenarla es necesaria una lámina de aluminio de unos cuantos milímetros de grosor. Por lo tanto, puede afectar fácilmente a los tejidos humanos.
3. Radiación Gamma. Consiste en una radiación electromagnética emitida por un núcleo en estado de excitación. Cuando desparece la excitación siempre se forma un núcleo más estable. Esta es muy difícil de parar, pudiendo traspasar con naturalidad el cuerpo humano.

Radiactividad artificial

Cuando se bombardea un núcleo con las partículas adecuadas, estas pueden penetrar en el núcleo y formar uno nuevo. La radioactividad artificial fue descubierta en el año 1939 por el matrimonio Curie.

La fisión nuclear

La fisión nuclear consiste en la división del núcleo de un átomo pesado en otros elementos más ligeros, de forma que en esta reacción se genere una gran cantidad de energía. Esta división es provocada por el choque del átomo con un neutrón. El proceso de fisión es posible a causa de la inestabilidad que tienen los núcleos de algunos elementos químicos de elevado número atómico. 

En estas condiciones solo hace falta una pequeña cantidad de energía para provocar que el núcleo se rompa en dos trozos. Tienes a tu disposición un juego interactivo que explica la fisión nuclear de una manera sencilla. La reacción nuclear de fisión fue descubierta por los científicos O. Hahn y F. Strassmann el año 1938.

Impacto ambiental de las centrales nucleares 

Las centrales nucleares están sujetas a un estricto control reglamentario institucional difícil de igualar por parte de otras actividades industriales. Esta reglamentación tiene en cuenta todas y cada una de las fases que forman el ciclo de producción, contemplando también la protección de los trabajadores, el público en general y el desmantelamiento de la central al final de su vida útil.

Es importante recordar que las centrales nuclearesno contribuyen al calentamiento global, puesto que no envían a la atmósfera óxidos de carbono, azufre, nitrógeno ni otros elementos derivados a la combustión, como las cenizas. No obstante, sí que hay que tener precaución con la generación de electricidad mediante la energía nuclear, tanto en la extracción, el concentrado y enriquecimiento del uranio, como en la propia producción de energía eléctrica.

La producción de energía eléctrica en centrales nucleares genera residuos radioactivos de larga duración que deben almacenarse en la misma central y en depósitos especiales para materiales radioactivos.

Propiedades de la energía

La energía tiene 4 propiedades básicas:

• Se transforma. La energía no se crea, sino que se transforma y es durante esta transformación cuando se manifiestan las diferentes formas de energía.
• Se conserva. Al final de cualquier proceso de transformación energética nunca puede haber más o menos energía que la que había al principio, siempre se mantiene. La energía no se destruye.
• Se transfiere. La energía pasa de un cuerpo a otro en forma de calor, ondas o trabajo.
• Se degrada. Solo una parte de la energía transformada es capaz de producir trabajo y la otra se pierde en forma de calor o ruido (vibraciones mecánicas no deseadas).

Transferencia de energía  

Existen tres formas principales de transferir energía de un cuerpo a otro:

Trabajo

Cuando se realiza un trabajo se pasa energía a un cuerpo que cambia de una posición a otra. Como ocurre, por ejemplo, si empujamos una caja para desplazarla: estamos realizando un trabajo para que su posición varíe.

Ondas

Las ondas son la propagación de perturbaciones de ciertas características, como el campo eléctrico, el magnetismo o la presión. Al moverse a través del espacio transmiten energía.

Calor

Es un tipo de energía que se manifiesta cuando se transfiere energía de un cuerpo caliente a otro cuerpo más frío. Esta energía puede viajar de tres maneras principales: 

• Conducción: cuando se calienta un extremo de un material, sus partículas vibran y chocan con las partículas vecinas, transmitiéndoles parte de su energía.
• Radiación: el calor se propaga a través de ondas de radiación infrarroja (ondas que se propagan a través del vacío y a la velocidad de la luz). 

Convección: que es propia de fluidos (líquidos o gaseosos) en movimiento.