1º
BACHILLERATOTema 04
Energía nuclear
1. Introducción
2. Conceptos básicos
3. El núcleo atómico
4. Reacciones nucleares
5. Reacciones de interés energético
6. Centrales nucleares
7. Impacto ambiental
1. INTRODUCCIÓN
1. ¿A qué llamamos energía nuclear? ¿De dónde proviene esta energía?
A la energía que se desprende ____________________________________________________________
Proviene de _________________________________________________________________________ Si mediante una reacción nuclear un núcleo atómico de masa “Mo” se divide en dos, la suma de las masas de cada una de las partes es inferior a la del núcleo inicial.
FIGURA 1A.PÉRDIDA DE MASA DE UNA REACCIÓN NUCLEAR
Esto que aparentemente es imposible, se debe al hecho de que una pequeña parte de la masa del núcleo atómico se transforma en energía.
2. ¿Qué relación existe entre la perdida de masa en una reacción nuclear y la energía generada?
Tomando unidades del SI
E= Energía cinética en julios (J)∆m= Disminución de masa en kilogramos (Kg) c= Velocidad de la luz 3·108 metros por segundo (m/s)
3. Si 1 Kcal= 4,187 KJ y un tipo de hulla tiene un poder calorífico de 7400 Kcal/Kg. ¿Qué cantidad de masa será necesaria desintegrar mediante reacciones nucleares, para producir la misma energía que 1000 toneladas de hulla. S: 0,344 g.
Esta poderosa fuente de energía tiene numerosas aplicaciones, muchas de las cuales han contribuido al desarrollo técnico de campos como la energía o la medicina.
También ofrece la cara opuesta, una bomba atómica es una reacción nuclear en cadena sin control. Son armas que pueden arrasar y devastar amplias zonas, como ocurrió en 1945 en las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki.
FIGURA 1B.HIROSHIMA, UN MES DESPUÉS DE QUE EE.UU.
2. CONCEPTOS BÁSICOS
4. ¿Qué es el número atómico “Z”?
Es el número de ______________________________________________________________________
FIGURA 2B.LA TABLA PERIÓDICA ESTÁ ORDENADA POR EL NÚMERO ATÓMICO
5. ¿Qué son los isótopos?
Son átomos de un elemento determinado ________
El más común es el propio que no tiene neutrones. FIGURA 2A.ISÓTOPOS DE HIDRÓGENO
6. ¿Qué es el número másico “A”?
Es el número de ______________________________________________________________________
7. ¿A qué se le llama nucleido?
Se llama nucleido a los distintos _________________________________________________________
A cada isótopo le corresponde un nucleido y hasta el momento se conocen 117 elementos y más de 2000 nucleidos.
8. ¿Cómo se representa un nucleido?
Para representar un nucleido se necesita conocer el elemento de que ____________________________
9. Determina el número de neutrones de los siguientes nucleidos. Cl1737, Na1123, U92238.
10. ¿Qué unidad de masa se utiliza en física nuclear para medir la masa de los átomos y de las partículas que los constituyen?
Se utiliza la llamada unidad de __________________
FIGURA 2D.ISÓTOPO DEL CARBONO MÁS ABUNDANTE EN LA NATURALEZA
11. Sabiendo que en un mol hay 6,023·1023 átomos, y que un mol del isótopo carbono 12, pesa 12 g, determina cuántos kilogramos tiene una unidad de masa atómica (uma). S: 1,66·10-27 Kg.
12. Sabiendo que las masas en reposo expresadas en kilogramos del protón, neutrón y electrón son respectivamente mp=1,673·10-27 Kg, mn=1,675·10-27 Kg y me=9,108·10-31 Kg. Determinar:
a. Sus masas en uma. S: mp=1,0078 ; mn= 1,009 ; me= 5,487·10-4.
b. Teniendo en cuenta los datos anteriores ¿qué conclusión se puede deducir de la masa del núcleo atómico?
13. ¿Qué es el agua ligera y el agua pesada?
• Agua ligera. Aquella en la que ______________________________________________________
• Agua pesada. Aquella en la que ___________________________________________________
14. ¿Qué unidad de energía se emplea en física nuclear para medir la energía de los átomos y de las partículas subatómicas?
Se emplea una unidad nominada _________________________________________________________
Que se define como la energía cinética que posee ________________
3. EL NÚCLEO ATÓMICO
Está formado por protones y neutrones. Todos los átomos que tienen el mismo número de protones pertenecen al mismo elemento. Por ejemplo, todos los átomos que tengan 6 protones en el núcleo son de carbono.
ESTRUCTURA ATÓMICA DE LOS ISÓTOPOS DE CARBONO
Pero el número de neutrones puede variar de un átomo a otro dando lugar a los distintos isótopos de un elemento.
Fuerzas nucleares
Teniendo en cuenta solamente las fuerzas gravitatorias y eléctricas entre las partículas que constituyen un átomo, es difícil explicar que los núcleos sean estables, pues en principio, los protones que forman parte del núcleo deberían repelerse
Parece indudable que han de existir otras fuerzas de intensidad superior a las mencionadas, que sin conocer exactamente su naturaleza se puede asegurar que tienen dos características fundamentales:
• No dependen de la carga eléctrica. • Son de corto alcance
15. Además de las fuerzas gravitatorias y eléctricas ¿Qué otras fuerzas existen en el núcleo atómico?
Son debidas a la existencia en el núcleo de partículas como: positrones, neutrinos, quark, etc. Estas fuerzas no se van a explicar por superar los objetivos de la asignatura.
Energía de enlace
16. ¿Qué son los nucleones?
Son cada uno de los ____________________________________________________________________
17. ¿Qué un espectrómetro de masas?
ESPECTRÓMETRO DE MASAS
18. ¿Qué es el defecto de masa de un núcleo?
Al medir la masa del núcleo de un átomo mediante un espectrómetro de masas, se observa ____________
19. ¿A qué es debido el defecto de masa en un núcleo?
Durante la formación del núcleo, para conseguir aproximar las partículas que ______________________
20. ¿Cómo se define la energía de enlace por nucleón?
Como la cantidad de energía necesaria para extraer del núcleo una _______________________________
21. Sabiendo que el Cl1735 tiene una masa real de 34,96885 uma. Determinar:
a. Su masa teórica en Kg. S: 58,591·10-27 Kg. b. El defecto de masa. S: 0,5424·10-27 Kg. c. La energía de enlace por nucleón. S: 8,72 MeV.
Datos: Masa del protón “mp =1,673·10-27 Kg”, masa del neutrón “mn= 1,675·10-27 Kg”, 1uma= 1,66·10-27 Kg, velocidad de la luz “c= 3·108 m/s”, 1Julio= 6,25·1018 eV.
22. Calcular la energía desprendida en la formación de un núcleo de He24 y la energía
correspondiente a cada nucleón, sabiendo que el defecto de masa es ∆m= 0,03021 uma. S: 0,4513·10
-11
4. REACCIÓNES NUCLEARES
23. ¿Qué es una reacción nuclear?
Es un proceso mediante el cual se combinan o se fragmentan ___________________________________
24. ¿Qué dice la ley de conservación de conservación de la masa y de la carga en una reacción nuclear?
Dice que en una reacción nuclear debe conservarse ___________________________________________
Radioactividad natural
La radiactividad natural consiste en la emisión espontánea de radiaciones por parte de algunas sustancias existentes en la naturaleza (radio, polonio o uranio) capaces de atravesar cuerpos opacos a la luz, impresionar placas fotográficas, ionizar el aire, etc.
María Sklodowka (1867-1934), conocida como Madame Curie y su esposo Pierre J. Curie (1859-1906) investigaron este fenómeno en átomos como uranio, polonio y radio; que recibieron el nombre de elementos radiactivos.
Rutherford (1899) y posteriormente Villard clasificaron estas
radiaciones en alfa, beta y gamma. MARIE CURIE (1867-1934)
25. ¿Qué es un isótopo radiactivo?
Todos los isótopos no son radiactivos. Se consideran _________________________________________
Los isótopos de un elemento se encuentran en la naturaleza formando una mezcla de algunos de ellos. Otros isótopos pueden ser producidos artificialmente mediante reactores nucleares.
Solo existen 92 elementos químicos naturales, el resto han sido descubiertos artificialmente. Sin embargo, hay unos 300 isótopos naturales y más de 1200 radiactivos. Como ejemplo citaremos el yodo del que existe un solo isótopo natural pero pueden producirse hasta 27 isótopos artificiales.
No todos los elementos tienen isótopos, existen 20 naturales sin isótopo. 26. ¿Qué es una radiación alfa (α)?
Es una radiación formada por ____________________________________________________________
28. ¿Qué es una radiación beta (β)?
Es una radiación formada por ____________________________________________________________ Cuando un elemento radiactivo emite una radiación “β”, el nuevo elemento no experimenta variación de masa, pero su carga nuclear aumenta una unidad.
29. Si el Si el bismuto 210 emite una radiación beta en qué se transforma? 30. ¿Qué es una radiación gamma?
Es una radiación electromagnética (emisión de energía sin masa) ________________________________
RADIACIONES DEL ESPECTRO ELECTROMAGNETICO
* Radiación ionizante. Aquella con _______________________________________________________
Las principales características de las radiaciones naturales son:
• Radiación (α). Es muy poco penetrante siendo absorbida por una fina hoja de papel o por la misma piel del cuerpo humano. Por esa razón es muy difícil que penetre en el interior de nuestro organismo
• Radiación (β). Es más penetrante que la anterior, para detenerla se requiere una lámina metálica de algunos milímetros o una plancha de madera de varios centímetros de espesor.
• Radiación (γ). Tiene un gran poder de penetración, es capaz de recorrer centenares de metros en el aire. Para detenerla se requiere una lámina gruesa de plomo o un muro de hormigón. La emisión de una partícula α o β, puede producirse con la emisión simultánea de radiación γ.
Radiación Naturaleza Masa aprox. Carga Poder de penetración
Alfa (α) Núcleos helio (He24) 4 protones +2 Hoja de papel, o
0,1 mm de Aluminio
Beta (β) Electrones (
e
−1) 0 -1 5 mm de Aluminio, o1 mm de Plomo
Gamma (γ) Ondas electromagnéticas (energía) 0 0 Entre 5 y 15 mm de Acero
31. Dada la siguiente tabla de desintegración radiactiva natural del torio 232, completa la tabla.
32. Siguiendo con la tabla de desintegración radiactiva natural del torio 232 del ejercicio anterior completa hasta llegar al elemento estable (plomo).
Radiactividad artificial
La primera reacción nuclear provocada artificialmente fue obtenida por Rutherfort en 1.919 bombardeando el nitrógeno con partículas alfa; de esta forma obtuvieron núcleos de oxígeno y protones de acuerdo con la ecuación:
1 1 17 8 4 2 14 7 He O H N + → +
En el transcurso de una reacción nuclear provocada pueden obtenerse núcleos estables (primera reacción nuclear de Rtherfort) pero en ocasiones también pueden aparecer átomos inestables, o sea, radiactivos. Este fenómeno se conoce con el nombre de radiactividad artificial.
Ejemplo. Al bombardear aluminio con partículas alfa se produce la siguiente reacción:
1 0 30 15 4 2 27 13 He P n Al + → +
El fósforo 30 manifiesta una radiactividad artificial con un periodo de semi-desintegración de 2,5 minutos, lo que explica que este isótopo no se encuentre en la naturaleza y solo se pueda obtener mediante reacción nuclear. Como el fósforo solo tiene un isótopo estable de masa 31, el isótopo de masa 30 se desintegra espontáneamente según la ecuación:
0 1 30 14 30 15 Si e P → +
La partícula e10 fue descubierta por Anderson en 1932 y recibe el nombre de positrón. Se trata de una partícula subatómica de masa igual a la del electrón y carga eléctrica positiva.
5. REACCIONES NUCLEARES DE INTERÉS ENERGÉTICO
Fisión
En este tipo de reacción se produce cuando algunos átomos pesados como el uranio 235, son bombardeados con neutrones. Entonces tiene lugar la fisión o partición del núcleo en dos fragmentos de masa intermedia. Dos ejemplos de este tipo de reacción son: 1 0 89 36 144 56 1 0 235 92 n Ba Kr 3n U + → + + 1 0 97 40 137 52 1 0 235 92 n Te Zr 2n U + → + +
La fisión del uranio 235 puede generar hasta un centenar de núcleos atómicos distintos, todos ellos radiactivos, que se llaman productos de fisión. Además se desprenden rayos gamma y dos o tres neutrones en cada fisión.
33. ¿Por qué para producir la fisión se utilizan neutrones?
Neutrón Núcleo átomo pesado Núcleo excitado Núcleo a punto de fusionarse Neutrones Producto de fisión Producto de fisión rápidos
FIGURA 7A.-PROCESO DE FISIÓN DE UN NÚCLEO
Porque al no tener _____________________________________________________________________
Los neutrones desprendidos de la rotura del núcleo atómico (neutrones rápidos) poseen una energía elevada, del orden del megaelectrónvoltio, y no son actos para producir una reacción de fisión; para ello es necesario frenarlos, disminuyendo su energía hasta unos 0,02 eV (neutrones térmicos), lo que se consigue haciéndoles chocar repetidas veces contra átomos de pequeño tamaño como agua, agua pesada1, grafito o berilio; que reciben el nombre de moderadores. No todos los elementos son actos para producir energía por fisión, solo pueden utilizarse aquellos átomos que al romperse liberen más de un neutrón capaz de producir la fisión de otros átomos, a esto se le denomina reacción en cadena (Figura 7b).
Neutrón Moderador 235 U 235 U 235 U U235 Neutrones rápidos Neutrones térmicos Producto
de fisión de fisiónProducto
FIGURA 7B.REACCIÓN EN CADENA
1
Agua pesada. Agua en la que el hidrógeno tiene la composición nuclear del deuterio. En el agua normal el núcleo del hidrógeno esta formado por protio
Solo tres isótopos cumplen esta condición el uranio 235 (existente en la naturaleza); el plutonio 239 y uranio 233 que se obtienen artificialmente al bombardear con neutrones los átomos de uranio 238 y torio 232 respectivamente.
Fusión
34. ¿En qué consiste una reacción nuclear de fusión?
Consiste en la unión de dos núcleos de átomos ______________________________________________
energía n
He H
H12+ 13→ 24+ 10+
REACCIÓN NUCLEAR DE FUSIÓN
Este tipo de reacciones también recibe el nombre de termonucleares a causa de la elevada temperatura a la que tiene lugar. La energía desprendida en una reacción de fusión es superior a desprendida por la fisión.
Este tipo de reacciones se verifica en el Sol y en todas las estrellas y son del tipo: energía
e He
H11→ 24 +2 10+ 4
35. ¿Qué problemas presentan las reacciones nucleares de fusión?
• Se necesita mucha energía ________________________________________________________
6. CENTRALES NUCLEARES
Son las instalaciones que tienen por misión transformar la energía nuclear en electricidad. En la Figura
6a podemos apreciar las partes más importantes.
FIGURA 6A.PRINCIPALES ELEMENTOS DE UNA CENTRAL NUCLEAR
En la actualidad se emplean mayoritariamente dos tipos de centrales:
• Central con reactor de agua a presión PWR (Presurized Water Reactor). • Central con reactor de agua en ebullición BWR (Boiling Water Reactor).
REACTOR CON AGUA A PRESIÓN (PWR) REACTOR CON AGUA EN EBULLICIÓN (BWR)
Las más utilizadas son las PWR. En España todas son de este tipo menos la de Cofrentes y la de Sta. Mª de Garoña que está en situación de parada provisional.
Las centrales BWR son más inseguras, ya que un escape del fluido de refrigeración puede provocar una contaminación radiactiva.
El calor producido en el reactor, como consecuencia de las reacciones de fisión, produce vapor de agua a alta presión que circula a través de las tuberías y lo dirigen hacia el edificio de turbinas, donde mueve los alabes de las turbinas de alta presión y baja presión, encaminándose luego al condensador, donde se licua debido a la acción de un circuito de refrigeración. El vapor condensado se conduce de nuevo a los generadores de vapor mediante una bomba, repitiéndose el ciclo sucesivas veces.
El agua del circuito de refrigeración circula en ciclo cerrado excepto una parte (10% apróx) que se toma de un río o del mar, y que posteriormente es devuelta a su lugar de procedencia. Una pequeña cantidad (1,5 % apróx) se evapora en la torre de refrigeración.
La energía cinética de rotación de las turbinas se convierte en electricidad en el generador y, luego, mediante transformadores se eleva su tensión y se distribuye a través de la red eléctrica.
La sala de control permite el seguimiento de todo el proceso. También forman parte de la central el almacén de combustible nuevo y el de combustible gastado.
36. Si de la fisión de 1 Kg. de uranio 235, produce una disminución de masa de 9,1·10-4 Kg. Estimar: a. Cuantos Kg. de uranio habrá empleado la central nuclear de Cofrentes para producir los 8325 Gwh que generó en el año 2013. Considera que la central tiene un rendimiento del 34%. S: 1076 Kg.
b. Cuantos Kg. de lignito con un poder calorífico de 6500 Kcal/Kg. necesitaría la central termo-eléctrica de mayor potencia en España (Puentes de García Rodríguez situada en La Coruña) para producir la misma energía que la nuclear de Cofrentes con el mismo rendimiento. Dato: 1Kcal= 1,16·10-3 Kwh. S: 3247·106 Kg.
c. La equivalencia energética de 1 Kg. de uranio en kilogramos de lignito. S: 1Kg de uranio = 3·106 Kg. de lignito.
El uranio
Se encuentra en la naturaleza en forma de mineral (U3O8). Existen unos 150 minerales que contienen
uranio, pero el que tiene una mayor concentración es la pechblenda:
El uranio natural está formado por 3 isótopos en las siguientes proporciones: U-234 → 0,005 %
U-235 → 0,710 % U-238 → 99,285 % 37. ¿Qué es el uranio enriquecido?
Como en la naturaleza la proporción de uranio 235 es muy baja (0,71 %) para ser utilizado como combustible nuclear.
El uranio enriquecido es el que se obtiene al someter _________________________________________
MINERAL DE PECHBLENDA
Para ser utilizado en una central nuclear, el uranio enriquecido en forma de oxido es prensado en pastillas de 2 cm. de alto por 1,5 de diámetro.
El reactor PWR
• Vasija del reactor. Es de acero al carbono recubierta interiormente por una capa de acero inoxidable de unos 12 cm. de espesor
• Refrigerante. Es una mezcla de agua y un moderador que sale del reactor a 150 atmósferas de presión y 325 ºC de temperatura aprox.
• Moderador. Como moderador se emplea agua ligera, agua pesada, berilio o grafito. La función del moderador es frenar la velocidad de los neutrones para aumentar la probabilidad de impacto del neutrón con el núcleo. Se ha comprobado que los neutrones con velocidades lentas (2,2 Km/s) tienen más probabilidad de impactar que los que se desprenden de la fisión del núcleo (20 000 Km/s).
REACTOR CENTRAL NUCLEAR
• Barras de control. Permiten controlar la reacción nuclear en cadena mediante la absorción de neutrones. Cuanto más se introducen mayor es la cantidad de neutrones capturan, frenando de esta forma la reacción. Se fabrican de cadmio o boro.
• Combustible. Se encuentra en forma sólida, siendo el más utilizado el óxido de uranio. También puede utilizarse plutonio, que es un subproducto de la fisión del Uranio
7. IMPARTO AMBIENTAL
DOSIS ANUALES DE RADIACIÓN HABITUALES POR PERSONA.
Cuando una central funciona con normalidad las emisiones radiactivas no superan a las producidas de manera natural (ver tabla).
En caso de accidentes, pueden producirse escapes de material radiactivo.
Las células de los seres vivos se ven afectadas por las radiaciones nucleares, ocasionando mutaciones que pueden causar la muerte e incluso afectar a futuras generaciones.
Sin embargo, una fuga o explosión como la ocurrida en Chernobil (Ucrania) o Fukushima (Japón) es poco probable en las centrales modernas.
Residuos radiactivos
Se denomina residuo radiactivo a cualquier material que contiene o está contaminado por radioisótopos en concentraciones superiores a las establecidas por las autoridades competentes. Se clasifican en:
• Baja actividad: ropas, guantes, herramientas, etc. • Media actividad: filtros de gases y líquidos usados. • Alta actividad: restos del combustible gastado.
Los residuos de baja y media actividad. Se introducen en bidones, se mezclan con hormigón y se almacenan temporalmente en la central. Luego se llevan a almacenes definitivos.
Las centrales nucleares, así como los hospitales, las universidades y los laboratorios (unas 600 instalaciones radiactivas en territorio español), generan del orden de unos 3000 bidones al año (más de 1000 metros cúbicos) de material contaminado radiactivo, que son enviados a El Cabril (Cordoba).
BIDONES CON MATERIAL RADIACTIVO EL CABRIL ALMACÉN DE RESIDUOS RADIACTIVOS DE BAJA Y MEDIA ACTIVIDAD
Los residuos de alta actividad. Se almacenan provisionalmente en piscinas dentro de la central y después:
• Se reprocesa para obtener uranio o plutonio, que se utilizará como combustible o para armas nucleares.
• Se encapsula (se envuelve en vidrio fundido) se deposita en minas profundas, geológicamente estables.
8. LA ENERGÍA NUCLEAR EN ESPAÑA
En la actualidad funcionan en España 7 centrales nucleares con una potencia total de 6.780 Mw. Todas ellas son del tipo PWR, utilizan como combustible uranio enriquecido y proporcionan aproximadamente la tercera parte de la energía consumida en nuestro país. La tabla siguiente muestra las características más importantes de cada una de ellas.
Nombre Situación (Provincia) Potencia en Mw Año puesta en servicio Circuito de Refrigeración Kwh en 1992
Almaraz I Cáceres 930 1981 Lago artificial 6.657
Almaraz II Cáceres 930 1983 Lago artificial 7.173
Ascó I Tarragona 930 1983 Río y/o torres 7.118
Ascó II Tarragona 930 1985 Río y/o torres 7.326
Cofrentes Valencia 990 1984 Torres 8.028
Trillo I Guadalajara 1.066 1.988 Cerrado 8.471
Vandellós II Tarragona 1.004 1.987 Abierto al mar 7.020
Vandellós I es una central nuclear situada en (Tarragona). Inicialmente constaba de dos grupos: Vandellós I y Vandellós II, de los cuales el primero fue clausurado en 1989, tras un incendio. El elevado coste de las medidas exigidas para corregir las irregularidades, hicieron que la empresa explotadora decidiera su cierre definitivo.
La Central nuclear José Cabrera (más conocida como Zorita) fue la primera central nuclear construida en España, situada junto al río Tajo en el término municipal de Almonacid de Zorita, en la provincia de Guadalajara, y perteneció a la compañía Gas Natural Fenosa. Ceso su actividad en 2006 y actualmente se encuentra en fase de de desmantelamiento.
Después del cierre de Zorita, Santa María de Garoña (Burgos) ha pasado a ser la central nuclear más antigua de España. Inicio su actividad en 1971 con una vida útil prevista de 40 años. El 16 de diciembre de 2012, se produjo la parada provisional del reactor y el desacoplamiento de la Red Eléctrica. El gobierno actual está estudiando la posibilidad de ponerla nuevamente en funcionamiento.
Nombre Situación (Provincia) Potencia en Mw Año puesta en servicio Circuito de Refrigeración
José Cabrera Guadalajara 160 1968 Abierto a río
Sta. Mª. de Garoña Burgos 460 1971 Abierto a río
Por otra parte, la producción española de uranio es de unas 300 toneladas procedentes de un yacimiento en Lérida, y que se refinan en Andújar (Jaén). También se han descubierto otros yacimientos en Cáceres y Salamanca.
Moratoria nuclear
Tras la llegada en 1982 al poder del PSOE se suspenden los programas de energía nuclear, ya que la presión social había hecho incluir esta suspensión en su programa electoral. En 1991 se paralizan, y posteriormente se suspenden las obras de 7 centrales nucleares: Lemoniz I y II, Valdecaballeros I y II, Trillo II , Regodola I y Sayago I.
Las pérdidas alcanzarían los 729.000 millones de pesetas (437,4 millones de euros). Con el fin de compensar a las eléctricas, el gobierno aprueba en 1977 una disposición que permite a estas compañías cobrar un porcentaje para recuperar las inversiones. Este porcentaje es de un 0,02% sobre la cantidad total a facturar antes de impuestos. El plazo para recuperar las inversiones realizadas es de 25 años a partir de 1995, es decir, hasta el año 2020.
