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Energía nuclear

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by

Francisco Javier Caballero

on 12 June 2014

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Transcript of Energía nuclear

Inconvenientes
A nivel civil, un gran inconveniente es la generación de residuos nucleares y la dificultad para gestionarlos ya que tardan muchísimos años en perder su radioactividad y peligrosidad.
Otras aplicaciones
Accidentes nucleares
Central nuclear
Constante de Planck
En 1990, el físico alemán Max Planck formuló que la energía es emitida en pequeñas unidades individuales conocidas como
quantos
. Descubrió una constante de carácter universal conocida como la constante de Planck, representada como h2.
Energías nucleares:
Fusión y fisión

Nos referimos a accidente nuclear a aquellos sucesos que emiten un determinado nivel de radiación susceptibles de perjudicar a la salud pública.

Origen y desarrollo
En 1896,
Becquerel
comprueba que ciertas sustancias emiten radiaciones penetrantes con origen desconocido.

Su descubrimiento fue pura casualidad. Se encontraba estudiando la producción de rayos x de las Sales de Uranio cuando descubrió que éstas producián sus propias radiaciones.
Ventajas
Generar energía eléctrica mediante la energía nuclear supone un importante ahorro de emisiones de gases contaminantes (CO2 y otros) que serian generados si esta energía fuese generada a partir de la quema de combustibles fósiles.
Conclusión
En definitiva la energía nuclear es el futuro. Es un tipo de energía que da muchas ventajas en diferentes campos que nos atañen realmente y lo último que le falta es indagar y estudiar más sobre ella, para poder eliminar o transformar sus residuos. Produce más energía que las demás fuentes de energía alternativas (mareomotriz, solar, eólica, etc.) por lo tanto, es la más ventajosa para nosotros cuando tengamos que sustituir el petróleo y otras fuentes de energía agotables.
Antoine-Henri Becquerel
A su vez, el matrimonio Curie descubrió un elemento con mayor actividad que el Uranio, al cual llamaron Polonio en honor a su patria. Estos mismos descubrieron un segundo elemento llamado Radio.
Matrimonio Curie
Estos tres elementos van a ser muy importantes para el desarrollo de la energía nuclear. Actualmente se utiliza el Uranio en casi todas las centrales nucleares como combustible para producir energía electrica
Max Planck
La ley de Planck establece que la energía de cada quanto es igual a la frecuencia de la radiación electromagnética multiplicada por dicha constante universal.
Los descubrimientos de Planck representaron el nacimiento de un nuevo campo para la física, conocido como mecánica cuántica y proporcionaron las bases para la investigación en campos como el de la energía nuclear.
Einstein
Fusión Nuclear
La fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos núcleos de átomos ligeros se unen para formar otro núcleo más pesado.
Reacciones de fusión nuclear
Las reacciones de fusión más importantes son:
Combustible utilizado para las reacciones de fusión nuclear
Para las reacciones de fusión nuclear se necesitan núcleos ligeros. Básicamente se utilizan
Deuterio
y
Tritio
, que son dos isótopos del hidrógeno.
Requisitos para la fusión nuclear
Fisión nuclear
Se puede obtener energía manipulando átomos. Para ello, partimos núcleos de un determinado átomo. A esto se le llama fisión nuclear.
Fisión nuclear controlada y espontánea
Uranio
Plutonio
¿Que es la energía nuclear?
Es la energía que existe en el núcleo de un
átomo. El átomo es la particula más pequeña
en la cual podemos dividir un material. En el
núcleo de los átomos tenemos el Protón y el neutrón, los cuales se mantienen unidos mediante la energía nuclear.

Esta energía se puede aprovechar para producir electricidad, pero antes se debe liberar la energía que hay dentro del átomo. Esto se puede hacer mediante dos formas: fusión y fisión nuclear.
Cuando se produce una de estas dos reacciones físicas, los átomos experimentan una ligera pérdida de masa y ésta se convierte en una gran cantidad de energía calorífica tal como descubrió Einstein con su formula E=mc2.
Aunque la producción de electricidad sea el uso más habitual que se le da a la energía nuclear, también se puede dar uso de ella en sectores como el médico, medioambiental o el bélico.
Energía nuclear
Albert Einstein es el cientifico mas considerado en la historia del siglo XX. Su ecuación resultó ser revolucionaria para los posteriores estudios de física nuclear, aunque en aquellos tiempos no se disponía de medios para demostrarla experimentalmente.
E (energía) y m (masa) esta interrelacionadas con c (velocidad de la luz). La fórmula de Einstein nos dice la cantidad equivalente de energí­a de esta masa si se convirtiera repentinamente en energí­a.
Explicación breve de la ecuación.
Por ejemplo, considera un átomo simple del hidrógeno, integrado básicamente por un solo protón. Esta partí­cula subatómica tiene una masa de
0.000 000 000 000 000 000 000 000 001 672 kilogramos. Esta es una masa minúscula. ¡Pero en cantidades normales de materia hay muchos átomos! Por ejemplo, en un kilogramo de agua pura, la masa de los átomos del hidrógeno asciende apenas a unos 111 gramos, o a 0.111 kilogramos.

E=mc2
E = 0.111 x 300.000.000 x 300.000.000
E = 10.000.000.000.000.000 julios

Expresado en calorías serían 2.388.458.966.274.960 cal.

Si quisieras gastar esa cantidad de calorías, tendrías que correr a
15 km/h durante nada menos que 2.283.105.022 años.
El núcleo se divide en fragmentos con una masa casi exacta a la mitad de la masa original más dos o tres neutrones.
La suma de las masas de estos fragmentos es siempre menor que la masa original y la masa perdida ha sido convertida en energía según la ecuación de Einstein.
La fisión nuclear puede ocurrir cuando un núcleo de un átomo pesado capta un neutrón (fisión inducida) o puede ocurrir espontáneamente debido a la intensidad del isotopo (fisión espontánea).
En la fisión nuclear inducida, para mantener el control sostenido de reacción nuclear, por cada dos o tres neutrones puestos en libertad sólo a uno se le debe permitir dar otro núcleo de
Uranio
. Si esta relación es inferior a uno, la reacción muere y si es mayor, va a crecer sin control, lo que provocará una
explosión nuclear
.

Para controlar la cantidad de neutrones libres, debe estar presente un elemento de absorción de neutrones, como las barreras de control hechas de neutrones de un fuerte material absorvente como el
Boro
o el
Cadmio
.
En la fisión nuclear espontánea no es necesaria la absorción de un neutrón exterior. En determinados isotopos del
Uranio
y sobre todo del
Plutonio
, tienen una estructura átomica tan inestable que se fisiona espontáneamente, es decir, sin intervenir externamente. Si comparamos el
Plutonio 239
, con el
Uranio 235
, el plutonio tiene mayor tasa de fisión espontánea.
Esta reacción de fusión nuclear libera o absorbe una gran cantidad de energía en forma de rayos gamma y también de energía cinética de las partículas emitidas. Esta gran cantidad de energía permite a la materia entrar en estado de plasma.
El ejemplo más claro de fusión nuclear son las estrellas. La luz y el calor que percibimos del Sol es el resultado de estas reacciones nucleares de fusión: núcleos de hidrógeno chocan entre sí, y se fusionan dando lugar a un núcleo más pesado de helio liberando una enorme cantidad de energía.
Para realizar una reacción de fusión nuclear se deben cumplir los siguientes requisitos:
Conseguir una temperatura muy elevada para separar los electrones del núcleo y que éste se aproxime a otro venciendo las fuerzas de repulsión electrostáticas. El resultado se denomina plasma.
Es necesario el confinamiento para mantener el plasma a temperatura elevada durante un mínimo de tiempo.
Densidad del plasma suficiente para que los núcleos estén cerca unos de otros y puedan generar reacciones de fusión nuclear.
El Deuterio es un isótopo estable del hidrógeno formado por un protón y un neutrón. En el agua de mar hay una concentración de 34 gramos de Deuterio por metro cúbico de agua. Teniendo en cuenta que tres cuartas partes del Planeta están cubiertas por agua, se considera la fusión nuclear cómo una fuente de energía inagotable.
El Tritio, es el isótopo radiactivo del átomo de hidrógeno. Está compuesto por un protón y dos neutrones y se desintegra por emisión beta con relativa rapidez. Aunque el Tritio es escaso en la naturaleza, se puede generar por reacciones de captura neutrónica con los isótopos del Litio. El Litio es un material abundante en la corteza terrestre y en el agua del mar.
D + T --> 4He + n + 17,6 MeV
D + D --> 3He + n + 3,2 MeV
D + D --> T + p + 4,03 MeV
Para que tengan lugar estas reacciones debe suministrarse a los núcleos la energía cinética necesaria para que se aproximen los núcleos reaccionantes, venciendo así las fuerzas de repulsión electrostáticas. Para ello se necesita calentar el gas hasta temperaturas muy elevadas, como las que se supone que tienen lugar en el centro de las estrellas.
El Plutonio se produce cuando el combustible nuclear se quema en los reactores nucleares convencionales.
Esta formado fundamentalmente por Uranio ( 96% aprox.) y Plutonio (1%).
Químicamente el Plutonio es un material muy activo. Puede formar compuestos con todos los elementos no metálicos, excepto los gases nobles. El metal se disuelve en ácidos y reacciona con agua, aunque moderadamente en comparación con los ácidos.
Aunque se pueden encontrar trazas en la naturaleza, todos los isótopos de Plutonio son de origen artificial.
Las personas siempre estamos expuestas a cierta cantidad de uranio en la comida, el aire, el suelo y el agua, ya que está presente en éstos de forma natural.
El principio básico del funcionamiento de una central nuclear se basa en la obtención de energía calorífica mediante la fisión nuclear del núcleo de los átomos del combustible
El Uranio es 500 veces más abundante que el oro y no tiene otro uso. Con la tecnología actual, se calcula que, al ritmo actual de consumo, hay reservas de este mineral para unos 80 años, pero gracias al desarrollo
Con esta energía calorífica, que tenemos en forma de vapor de agua, la convertiremos en energía mecánica en una turbina y, finalmente, convertiremos la energía mecánica en energía eléctrica mediante un generador.
Otra ventaja está en la cantidad de combustible necesario; con poca cantidad de combustible se obtienen grandes cantidades de energía
Otra ventaja del Uranio como combustible nuclear es que no tiene otro uso y los reactores nucleares necesitan muy poca cantidad del mismo para producir mucha energía. Una pastilla de Uranio de tan solo 5 gramos de peso, produce la misma electricidad que 810 kilos de carbón, 565 litros de petróleo o 480 metros cúbicos de gas natural.
Una central nuclear está generando energía eléctrica durante prácticamente un 90% de las horas del año. Esto reduce la volatilidad en los precios que hay en otros combustibles como el petróleo.
tecnológico, la construcción de reactores más avanzados o el reciclado del combustible gastado para su uso en otras centrales nucleares podría ser prácticamente ilimitado, del orden de varios milenios.
Al ser una alternativa a los combustibles fósiles no se necesita consumir tanta cantidad de combustibles como el carbón o el petróleo, de forma que en consecuencia se reduce el problema del calentamiento global, el cual, se cree que tiene una influencia más que importante con el cambio climático del planeta.
Debido precisamente a que las centrales nucleares tienen una vida limitada. La inversión para la construcción de una planta nuclear es muy elevada y hay que recuperarla en muy poco tiempo, de modo que esto hace subir el coste de la energía eléctrica generada. En otras palabras, la energía generada es barata comparada con los costes del combustible, pero el tener que amortizar la construcción de la planta nuclear la encarece sensiblemente.
Aunque la energía nuclear se utiliza principalmente para la producción de energía eléctrica en las centrales nucleares ésta no es la única utilidad de la energía nuclear. La energía nuclear tiene otras aplicaciones en diversos campos:
Los reactores nucleares actuales funcionan mediante reacciones nucleares por fisión. Estas reacciones se producen en cadena de modo que si los sistemas de control fallasen cada vez se producirían más y más reacciones hasta provocar una explosión radiactiva que sería prácticamente imposible de contener.
Aplicaciones industriales:
con fines de análisis y control de procesos.
Aplicaciones médicas:
en diagnóstico y terapia de enfermedades.
Aplicaciones agroalimentarias:
en la producción de nuevas especies, tratamientos de conservación de los alimentos, lucha contra las plagas de insectos y preparación de vacunas.
Aplicaciones medioambientales:
en la determinación de cantidades significativas de sustancias contaminantes en el entorno natural.
Los accidentes nucleares tambien se pueden suceder en cualquier centro que use energía nuclear como hospitales o laboratorios.
En los años 50 se produjeron tres accidentes nucleares destacables:

En 1952 en Canadá se produce el primer accidente nuclear serio, en el reactor nuclear NRX de Chalk River.
Estados Unidos, 1959: un reactor refrigerado por sodio sufrió una fusión parcial del núcleo.
En la misma central nuclear, en 1958: en el reactor NRU una varilla de combustible de uranio se incendió y se partió en dos al intentar retirarla del núcleo del reactor.
Chernobyl
Se estima que la cantidad de material radiactivo liberado fue 200 veces superior al de las explosiones de Hiroshima y Nagasaki.
El accidente nuclear fue clasificado como nivel 7 (“accidente nuclear grave”) en la Escala Internacional de Sucesos Nucleares (Escala INES) del OIEA, es decir, el accidente de peores consecuencias ambientales, y que sirve como referencia para proyectar y controlar los dispositivos y sistemas de protección de las instalaciones nucleares.
Aunque el accidente tuvo lugar por un claro error humano, la falta de una estructura social democrática implicaba una ausencia de control de la sociedad sobre la operación de las centrales nucleares y de una “cultura de seguridad”.
Fukushima
Un terremoto de 8,9 grados cerca de la costa noroeste de Japón y un posterior tsunami afectó gravemente la central nuclear de Fukushima Dahiichi, en la costa noreste de Japón.
El accidente fue considerado inicialmente de nivel 4 en Escala Internacional de Eventos Nucleares (escala INES). Aunque en los días siguientes la situación se agravó y el accidente nuclear acabó alcanzando el nivel 7, el mismo que el accidente de la central nuclear de Chernobyl.
Hoy en día cuando se nombra la palabra nuclear se piensa en aquellos desastres nucleares como Chernobyl, Fukushima o las bombas nucleares, pero la realidad es que hay muchas centrales en funcionamiento y son las instalaciones más seguras existentes e incluso en España hay 8 centrales dando suministro.
Al reducir el consumo de combustibles fósiles también mejoraría la calidad del aire que respiramos con lo que ello implicaría en el descenso de enfermedades y aumento de la calidad de vida.
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