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17.2: Generación de Electricidad con Energía Nuclear

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    El ciclo del combustible nuclear

    El mineral de uranio debe extraerse, molerse y enriquecerse para producir combustible nuclear. El ciclo del combustible nuclear representa la progresión del combustible nuclear desde la creación hasta la eliminación (figura\(\PageIndex{a}\)). La primera etapa del ciclo del combustible nuclear es la recuperación de uranio, en la que se extrae el mineral de uranio. Luego se muele para producir torta amarilla (concentrado de mineral de uranio/óxido de uranio/U 3 O 8). La molienda separa el uranio de las otras partes del mineral. Cada tonelada de mineral de uranio extraído generalmente produce 1-4 libras de torta amarilla (0.05% a 0.20% de torta amarilla). A continuación, el concentrado de mineral de uranio se convierte en hexafluoruro de uranio (UF 6). Luego se enriquece para aumentar la concentración de uranio-235 (235 U) respecto a 238 U. Durante la fabricación de combustible, el UF 6 natural y enriquecido se convierte en dióxido de uranio (UO 2) o aleaciones metálicas de uranio para su uso como combustible para centrales nucleares. La eliminación de barras de combustible gastado y otros desechos peligrosos generados en este proceso se discuten en Consecuencias de la Energía Nuclear.

    Flechas e iconos representan las etapas del ciclo del combustible nuclear
    Figura\(\PageIndex{a}\): El ciclo del combustible nuclear comienza con la recuperación (extracción) de uranio natural, seguido de molienda, conversión y enriquecimiento. El uranio enriquecido luego se somete a fabricación de combustible, produciendo dióxido de uranio (UO 2) o aleaciones metálicas de uranio (MOX). El combustible va luego a un reactor nuclear en la central eléctrica. Las barras de combustible gastado se almacenan en una piscina o barrica seca, potencialmente se vuelven a procesar y se envían a disposición. El uranio reprocesado puede volver a entrar en pasos anteriores del ciclo del combustible. Los desechos producidos durante el enriquecimiento se desconvierten antes de su eliminación. Imagen de U.S. NRC (dominio público)

    Reactores Nucleares

    El combustible, que ahora está en forma de pellets cerámicos cilíndricos se sellan luego en largos tubos metálicos llamados barras de combustible, que se ensamblan en núcleos de reactor junto con barras de control. Cada pellet de combustible, que mide aproximadamente 1 cm de longitud, almacena la misma cantidad de energía que una tonelada de carbón. Miles de barras de combustible forman el núcleo del reactor, el sitio de la fisión nuclear en una central nuclear (figura\(\PageIndex{b}\)).

    Tubos metálicos cilíndricos y brillantes dispuestos en rectángulo 3D
    Figura\(\PageIndex{b}\): Un conjunto de barras de combustible que contienen pellets de combustible nuclear. Imagen de la Comisión de Energías Alternativas y Energía Atómica, Francia (dominio público)

    El calor se produce en un reactor nuclear cuando los neutrones golpean los átomos de uranio, lo que hace que se dividan en una reacción en cadena continua que libera energía térmica (figura\(\PageIndex{c}\)). Específicamente, la fisión de 235 U, libera neutrones adicionales, que luego provocan la fisión de los núcleos cercanos de 235 U. Sin embargo, si la fisión ocurre en demasiados átomos simultáneamente, se libera demasiada energía, lo que puede provocar una explosión o fusión. Esto se evita mediante barras de control, las cuales están hechas de un material como el boro que absorbe el exceso de neutrones liberados en la fisión nuclear. Cuando las barras de control que absorben neutrones se extraen del núcleo, hay más neutrones disponibles para la fisión y la reacción en cadena se acelera, produciendo más calor. Cuando se insertan en el núcleo, hay menos neutrones disponibles para la fisión, y la reacción en cadena se ralentiza o se detiene, reduciendo el calor generado.

    La fisión del uranio-235 es inducida por un neutrón, lo que provoca una reacción en cadena
    Figura\(\PageIndex{c}\): Diagrama esquemático de una reacción en cadena de fisión. (1) Un átomo de uranio-235 absorbe un neutrón, y fisiones en dos nuevos átomos (fragmentos de fisión), liberando tres nuevos neutrones y energía. (2) Uno de esos neutrones es absorbido por un átomo de uranio-238, y no continúa la reacción. Otro neutrón simplemente se pierde y no choca con nada, tampoco continúa la reacción. Sin embargo, un neutrón choca con un átomo de uranio-235, que luego se fisiona y libera dos neutrones y algo de energía de unión. (3) Ambos neutrones chocan con átomos de uranio-235, cada uno de los cuales fisión y liberación entre uno y tres neutrones, y así sucesivamente. Imagen y subtítulo (modificado) por Fastfission (dominio público).

    Los reactores nucleares (figura\(\PageIndex{d}\)) contienen el núcleo del reactor y la maquinaria necesaria para generar electricidad a partir del calor liberado. El núcleo del reactor está sumergido en agua. Además de transferir energía térmica, el agua también sirve para ralentizar, o “moderar” los neutrones que es necesario para sostener las reacciones de fisión. En última instancia, la energía térmica se utiliza para generar vapor de alta presión, que hace girar una turbina para generar electricidad. El mecanismo es similar al de la electricidad generada por carbón o gas natural, pero la fisión nuclear más que la combustión del carbón es la fuente de energía térmica.

    Sección de planta nuclear con cinco pasos etiquetados
    Figura\(\PageIndex{d}\): (1) En un reactor nuclear, barras de combustible llenas de pellets de uranio se colocan en el agua. (2) Dentro de las barras de combustible, los átomos de uranio se dividen, liberando energía. (3) Esta energía calienta el agua, creando vapor. (4) El vapor se mueve a través de una turbina, la cual hace girar un generador para crear electricidad. (5) En el condensador, el vapor se enfría de nuevo en agua, que luego se puede utilizar de nuevo. En algunas centrales nucleares, se libera calor extra de una torre de enfriamiento. Imagen y subtítulo (modificado) por EPA (dominio público).

    Hay dos tipos principales de reactores nucleares: reactores de agua presurizada y reactores de agua hirviendo.

    Reactor de agua presurizada

    En un reactor de agua presurizada, hay tres corrientes separadas de agua: el agua en contacto con el núcleo del reactor, el agua que produce vapor y el agua de enfriamiento (figura\(\PageIndex{e}\)). El núcleo del reactor está sumergido en agua, la cual es retenida por un recipiente de acero. Esta está rodeada por una estructura de contención. A medida que la reacción de fisión nuclear calienta el agua que lo rodea, el agua se bombea en una corriente cíclica. Transfiere calor a la segunda corriente de agua, que se encuentra en un recipiente separado. Esta segunda corriente se mantiene a menor presión, permitiendo que el agua hierva y cree vapor El vapor gira una turbina, generando electricidad. Luego, el vapor se enfría en el condensador por una corriente separada de agua de enfriamiento. Debido a que el agua del núcleo del reactor no se mezcla con otras partes del reactor, no todo el reactor es radiactivo.

    Un reactor de agua presurizada contiene un núcleo de reactor, tres corrientes de agua, una turbina, una generación y un condensador
    Figura\(\PageIndex{e}\): Hay tres corrientes separadas de agua en un reactor de agua presurizada. La primera corriente está asociada con el núcleo del reactor en el recipiente a presión del reactor. La segunda corriente está asociada con el generador de vapor. La tercera corriente es de una fuente externa y se utiliza para condensar el vapor. El recipiente a presión del reactor contiene barras de control y barras de combustible (no etiquetadas). El tanque de presión regula la presión del agua. El agua caliente del reactor se mueve al generador de vapor, donde calienta el agua en la segunda corriente para producir vapor. El vapor del generador de vapor se mueve a través de la línea de vapor y gira una turbina, alimentando el generador eléctrico. El vapor se enfría en el condensador y el agua enfriada se bombea de nuevo al generador de vapor. El recipiente a presión del reactor, el tanque de presión y el generador de vapor están todos en una estructura de contención. El agua de una fuente externa se utiliza para enfriar el vapor en el condensador. El agua de la fuente externa se enfría en la torre de enfriamiento en forma de cono. Imagen por Oficina de Energía Nuclear/ Departamento de Energía de Estados Unidos (dominio público).

    Reactor de agua hirviendo

    En un reactor de agua hirviendo, hay dos corrientes separadas de agua: el agua en contacto con el núcleo del reactor y el agua de enfriamiento (figura\(\PageIndex{f}\)). El núcleo del reactor calienta el agua en la que se sumerge. Esta agua es retenida por una vasija de acero que está rodeada por una estructura de contención. El vapor producido a medida que el núcleo del reactor calienta el agua hace girar una turbina, la cual genera electricidad. Luego, el vapor se enfría en el condensador por una corriente separada de agua de enfriamiento. Debido a que el agua del núcleo del reactor entra en contacto con todas las partes del reactor, todo es radiactivo.

    Un reactor de agua hirviendo contiene un núcleo de reactor, dos corrientes de agua, una turbina, una generación y un condensador
    Figura\(\PageIndex{f}\): Un reactor de agua hirviendo tiene dos corrientes de agua. En la primera corriente, la misma agua que baña el núcleo del reactor en el recipiente a presión del reactor y se convierte en vapor y hace girar una turbina. La tercera corriente es de una fuente externa y se utiliza para condensar el vapor. El recipiente a presión del reactor contiene barras de control y barras de combustible (no etiquetadas). Se encuentra dentro de una estructura de contención más grande. Cuando el agua es calentada por el reactor, ésta se evapora a vapor. Esto se mueve a través de la línea de vapor y gira una turbina, alimentando el generador eléctrico. El vapor se enfría en el condensador y el agua enfriada se bombea de nuevo al recipiente a presión del reactor. El agua de una fuente externa se utiliza para enfriar el vapor en el condensador. El agua de la fuente externa se enfría en la torre de enfriamiento en forma de cono. Imagen por Oficina de Energía Nuclear/ Departamento de Energía de Estados Unidos (dominio público).

    Atribución

    Modificado por Melissa Ha de las siguientes fuentes:

    This page titled 17.2: Generación de Electricidad con Energía Nuclear is shared under a CC BY-NC 4.0 license and was authored, remixed, and/or curated by Melissa Ha and Rachel Schleiger (ASCCC Open Educational Resources Initiative) .