Energías acumuladas en el interior de la Tierra

Son de dos grandes grupos:

a) Energía geotérmica. Almacenada en las rocas por procesos gravitatorios, fi- sicoquímicos y nucleares. En forma de calor en sólidos o en agua caliente. b) Materias combustibles procedentes de la fotosíntesis, conocidos como com-

bustibles clásicos, carbón, petróleo y gas natural. Materiales combustibles nucleares, almacenados en la Tierra desde la formación del Planeta: uranio, torio y litio.

Los combustibles clásicos se estudian con mayor amplitud en los capítulos 12, 13 y 14, y en este capítulo se tratan los aspectos relacionados con la energía. No obs- tante, en la tabla 2.4 se recogen algunos datos prácticos sobre los combustibles más usuales.

2.2.6.1 Energía geotérmica

Los recursos geotérmicos son del orden de 4 · 1022 J y se localizan en cinturones que cubren el 10% de la superficie terrestre. Se distinguen por su temperatura, tipos de rocas, y por la existencia de agua, líquida o vapor. En España hay zonas, como Ali- cante, Málaga, Gerona e Islas Canarias, de alta entalpía y de 50-80 °C.

Los rendimientos de los posibles ciclos termodinámicos son función de las tem- peraturas del agua. Se hallan instalados en el mundo, 4500 MWe en plantas de 3 a 12 MWe. La variación de características y zonas conducen al estudio de plantas nor- malizadas con posible eliminación de gases, CO2, SO2, NH3, CH4 y caudales del or- den de 10 a 150 kg/s. Los problemas se relacionan con el conocimiento de las zonas, crear mucha área si son rocas, salinidad del agua, materiales de la planta, destinos y uso de la energía obtenida.

2.2.6.2 Energía de fisiones nucleares

Los combustibles nucleares comprenden principalmente uranio, torio y litio, que se en- cuentran también en el agua. Los dos primeros son radiactivos. En la naturaleza exis- ten 63 isótopos radiactivos correspondientes a 29 elementos, de los cuales, 46

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pertenecen a 12 elementos comprendidos entre talio y uranio y los 17 restantes entre potasio y platino.

Los recursos razonablemente asegurados de uranio son del orden de 2 · 106 _tone- ladas y la misma cantidad de recursos estimados. Los recursos de torio son 0,6 · 106 toneladas. El equivalente energético de estos materiales es función de su grado de aprovechamiento en los reactores nucleares de fisión. Hoy en día existen comercial- mente los llamados reactores térmicos, y un reproductor rápido en Francia. Los reac- tores de torio no son comerciales.

Si los recursos energéticos se evalúan por el contenido de 235U (0,72% en el uranio natural) y con una energía de 200 MeV/fisión, resultan 1,24 · 1022 _{J, mientras que si} se utiliza todo el uranio resultan 1,7 · 1024 _{J. La realidad actual es que se aprovecha} mejor el uranio-235 contenido en el uranio natural por la producción de plutonio en los reactores nucleares térmicos y no se quema todo el uranio-238 en los reactores re- productores rápidos.

La fisión nuclear fue descubierta en 1938 por el químico Otto Hanh, por análisis minu- cioso de los productos desprendidos al bombardear uranio con neutrones moderados y que anteriormente se habían estudiado sin resultados coherentes. Los isótopos radiactivos dan otros isótopos y partículas elementales, alfa, beta, neutrones y también radiaciones. Recíprocamente un isótopo, por concurso de partículas o radiaciones puede dar otro isótopo. En estas transformaciones se produce una energía muy superior a la de reacciones químicas más exotérmicas, y así como en las reacciones químicas existen otras reacciones en paralelo, también en los procesos nucleares pueden producirse distintas reacciones si- multáneas.

La cinética de las reacciones nucleares está determinada por las llamadas secciones efi- caces, que se expresan en barnios (1 barnio =10–24cm2) y son función de la energía adscrita a partículas o radiaciones. Así, con uranio natural y neutrones lentos o térmicos, 0,025 eV, sólo se fisiona el uranio 235, sección eficaz de 600 barnios. Si los neutrones son de 0,1 MeV, se produce fisión del uranio-235, sección eficaz de 3 barnios, y captura de neutrones por el uranio-238 que da uranio-239, el cual por transformaciones nucleares naturales acaba en plutonio-239. Análogamente, si los neutrones tienen energías de 1 MeV, se producen fi- siones en el uranio-235 y el uranio-238 en la proporción de sus secciones eficaces.

En un reactor nuclear, y en otras situaciones también, las partículas alfa, beta, neu- trones y radiaciones, no son en general monoenergéticas, sino un espectro, y por lo tanto los productos que se forman dependen de la parte del espectro que interviene en la reac- ción.

Desde 1956, los reactores nucleares de fisión comerciales han evolucionado en tamaño y en el número de cada tipo de reactores. El aumento de tamaño, y por lo tanto de potencia, ha sido consecuencia de la mayor demanda de energía y disminución de coste por el cam- bio de escala.

Los tipos de reactores comerciales se han mantenido desde el principio, pues sus con- ceptos básicos estaban respaldados por una fuerte experimentación, sólo posible en países muy desarrollados. Los reactores de uranio natural moderados y refrigerados por CO2 se desarrollaron en Francia e Inglaterra, y los de uranio natural moderados y refrigerados por D2O en Canadá. Ambos tipos de reactores presentan la ventaja de no necesitar uranio en- riquecido, a la par que son buenos productores de plutonio. Estados Unidos disponía de plantas de separación de los isótopos de uranio y desarrolló los reactores de agua ligera en dos versiones: agua líquida a presión de 140 atm (PWR) y agua hirviente a 70 atm (BWR) en ambos tipos con uranio enriquecido en 235U al 2-3%.

La comercialización del uranio enriquecido abrió una batalla comercial que se decantó hacia los reactores de agua ligera. Las promesas de los reactores rápidos, que producen más combustible del que consumen, se retrasan. Los peligros de manejo del plutonio para

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otros fines, la actitud social hacia la energía nuclear y la necesidad de aumentar los siste- mas de seguridad de los reactores, han retrasado los reactores rápidos comerciales, y sólo Francia en colaboración con otros países tiene en funcionamiento un reactor de este tipo de 1200 MWe.

Hoy en día existen proyectos de reactores avanzados, de menor potencia 600 MWe, con objeto de disminuir los tiempos de construcción, añadir sistemas de seguridad pasiva y modificaciones de los sistemas de control, y posiblemente suministrar agua o vapor a menores temperaturas. Estos tipos de reactores son también de agua ligera.

Actualmente en el mundo hay 424 reactores nucleares que producen 3,2 · 105 MWe y otros 83 en construcción con una proporción muy elevada del tipo agua ligera.

2.3 PRODUCCIÓN Y USO RACIONAL DE LA ENERGÍA EN LA