11.9: Usos y consecuencias de la energía nuclear
- Page ID
- 71919
- Conocer los beneficios y consecuencias de la energía nuclear.
Generación de Energía Nuclear
La generación de electricidad es fundamental para la operación de negocios, servicios de salud, escuelas, hogares y otras áreas que requieren el uso de energía eléctrica. De acuerdo con las estadísticas de 2011, el carbón se utiliza para\(42\%\) de la energía total generada, siendo el gas natural empleado para otra\(25\%\). Las centrales nucleares se emplean en aproximadamente\(19\%\) de los casos, con fuentes de energía renovables que abastecen el último\(13\%\). Todos estos combustibles se utilizan para calentar agua para generar vapor. Luego, el vapor gira una turbina para generar electricidad.
Las centrales nucleares utilizan la energía de la fisión nuclear para producir electricidad. El U-235 es el combustible nuclear preferido porque cuando sus átomos se dividen (fisionan), no solo emiten calor y radiación de alta energía sino también neutrones suficientes para mantener una reacción en cadena y proporcionar energía para alimentar una central nuclear. El uranio se encuentra en rocas de todo el mundo pero es relativamente raro y el suministro es finito, lo que lo convierte en una fuente de energía no renovable.
El uranio suele ocurrir en combinación con pequeñas cantidades de otros elementos y una vez que se extrae, el U-235 debe extraerse y procesarse antes de que pueda usarse como combustible en una central nuclear para generar electricidad. El uranio procesado se forma en barras de combustible y luego se agrupa en conjuntos de combustible. Los conjuntos de combustible se almacenan en el sitio hasta que los operadores del reactor los necesitan. En esta etapa, el uranio es solo ligeramente radiactivo, y esencialmente toda la radiación está contenida dentro de los tubos metálicos. Cuando es necesario, el combustible se carga en el núcleo de un reactor (Figura\(\PageIndex{1}\)). Por lo general, aproximadamente un tercio del núcleo del reactor (40 a 90 conjuntos de combustible) se cambia cada 12 a 24 meses.
El tipo más común de reactores son los reactores de agua presurizada (PWR) (Figura\(\PageIndex{1}\)) en los que el agua es bombeada a través del núcleo del reactor y calentada por el proceso de fisión. El agua se mantiene a alta presión dentro del reactor para que no hierva. El agua calentada del reactor pasa a través de tubos dentro del generador de vapor donde el calor se transfiere al agua que fluye alrededor de los tubos en el generador de vapor. El agua en el generador de vapor hierve y se convierte en vapor. El vapor se canaliza a las turbinas. La fuerza del vapor en expansión impulsa las turbinas, que hacen girar un imán en bobina de alambre, el generador, para producir electricidad.
Después de pasar a través de las turbinas, el vapor se convierte de nuevo en agua circulándolo alrededor de tubos que transportan agua de refrigeración en el condensador. El vapor condensado —ahora agua— se devuelve a los generadores de vapor para repetir el ciclo.
Los tres sistemas de agua (condensador, generador de vapor y reactor) están separados entre sí y no se les permite mezclar. El agua en el reactor es radiactiva y está contenida dentro de la estructura de contención, mientras que el agua en el generador de vapor y condensador es no radiactiva.
Figura\(\PageIndex{1}\): Diagrama esquemático de un reactor de agua a presión (PWR), el tipo más común de reactor nuclear. Diagrama de la Autoridad del Valle de Tennessee (dominio público). www.tva.com
Beneficios de la Energía Nuclear
Mediante el uso de la fisión, las centrales nucleares generan electricidad sin emitir contaminantes del aire como los emitidos por las centrales eléctricas de combustibles fósiles. Esto significa que los costos financieros relacionados con problemas crónicos de salud causados por contaminantes del aire como material particulado, monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno y ozono entre otros se reducen significativamente. Además los reactores nucleares no producen dióxido de carbono mientras operan lo que significa que la energía nuclear no contribuye al problema del calentamiento global.
Otro beneficio de la energía nuclear sobre los combustibles fósiles, especialmente el carbón, es que el uranio genera mucha más energía por unidad de peso o volumen. Esto significa que menos de ella necesita ser minada y consecuentemente el daño a los paisajes es menos especialmente cuando se compara con el daño que resulta de la minería del carbón como la remoción de la cima de la montaña.
La energía nuclear también se utiliza para propulsar barcos. La turbina se puede conectar a un sistema de hélice. El eje giratorio de la turbina girará la hélice para mover el barco.
Los inconvenientes de la energía nuclear
La principal preocupación ambiental relacionada con la energía nuclear es la creación de desechos radiactivos como relaves de uranio, combustible de reactor gastado (usado) y otros desechos radiactivos. Estos materiales pueden permanecer radiactivos y peligrosos para la salud humana durante miles de años. Los desechos radiactivos se clasifican como de bajo nivel y alto nivel. Por volumen, la mayor parte de los residuos relacionados con la industria de energía nuclear tienen un nivel relativamente bajo de radiactividad. Los relaves de molino de uranio contienen el elemento radiactivo radio, que se descompone para producir radón, un gas radiactivo. La mayoría de los relaves de uranio se colocan cerca de la instalación de procesamiento o molino de donde provienen. Los relaves del molino de uranio están cubiertos con una barrera de material como arcilla para evitar que el radón escape a la atmósfera, y luego son cubiertos por una capa de tierra, rocas u otros materiales para evitar la erosión de la barrera de sellado.
Las barras de combustible gastado contienen una variedad de productos, consistentes en núcleos inestables que varían en número atómico de 25 a 60, algunos elementos de transuranio, incluyendo plutonio y americio, e isótopos de uranio sin reaccionar. Los núcleos inestables y los isótopos de transuranio dan al combustible gastado un nivel peligrosamente alto de radiactividad. Los isótopos de larga vida requieren miles de años para descomponerse a un nivel seguro. El destino final del reactor nuclear como fuente importante de energía en Estados Unidos probablemente se basa en si se puede desarrollar o no una técnica política y científicamente satisfactoria para procesar y almacenar los componentes de las barras de combustible gastado.
Los otros tipos de desechos radiactivos de bajo nivel son las herramientas, la ropa protectora, los paños de limpieza y otros artículos desechables que se contaminan con pequeñas cantidades de polvo o partículas radiactivas en las instalaciones de procesamiento de combustible nuclear y plantas de energía. Estos materiales están sujetos a regulaciones especiales que rigen su manejo, almacenamiento y disposición por lo que no entrarán en contacto con el ambiente exterior.
Los desechos radiactivos de alto nivel consisten en combustible gastado para reactores nucleares (es decir, combustible que ya no es útil para producir electricidad). El combustible gastado del reactor está en una forma sólida que consiste en pequeñas pastillas de combustible en tubos largos de metal llamados barras. Los conjuntos de combustible de reactor gastado se almacenan inicialmente en piscinas de agua especialmente diseñadas, donde el agua enfría el combustible y actúa como un escudo contra la radiación. Los conjuntos de combustible de reactor gastado también se pueden almacenar en contenedores de almacenamiento en seco especialmente diseñados. Un número creciente de operadores de reactores ahora almacenan su combustible gastado más antiguo en instalaciones de almacenamiento en seco utilizando contenedores especiales de concreto o acero al aire libre con refrigeración por aire. Actualmente no existe ninguna instalación de eliminación permanente en Estados Unidos de desechos nucleares de alto nivel.
Cuando un reactor nuclear deja de funcionar, debe ser dado de baja. Esto implica retirar del servicio de manera segura el reactor y todos los equipos que se hayan vuelto radiactivos y reducir la radiactividad a un nivel que permita otros usos de la propiedad. La Comisión Reguladora Nuclear de Estados Unidos tiene reglas estrictas que rigen el desmantelamiento de centrales nucleares que implican la limpieza de sistemas y estructuras de plantas contaminadas radiactivamente, y la remoción del combustible radiactivo.
Una fusión nuclear, o una reacción nuclear incontrolada en un reactor nuclear, puede potencialmente resultar en una contaminación generalizada del aire y el agua. Algunos accidentes nucleares y radiacionales graves han ocurrido en todo el mundo. El accidente más grave fue el accidente de Chernobyl de 1986 en la entonces Unión Soviética (ahora Ucrania) que mató a 31 personas directamente y enfermó o causó cáncer en miles más. El desastre nuclear de Fukushima Daiichi (2011) en Japón (Figura\(\PageIndex{3}\)) fue causado por un terremoto de magnitud 9.0 que apagó el suministro de energía y un tsunami que inundó el suministro de energía de emergencia de la planta. Esto resultó en la liberación de radiactividad aunque no resultó directamente en ninguna muerte al momento del desastre. Otro accidente nuclear fue el accidente de Three Mile Island (1979) en Pensilvania, Estados Unidos. Este accidente resultó en una fusión central casi desastrosa que se debió a una combinación de error humano y falla mecánica pero no resultó en ninguna muerte y no se han encontrado cánceres o de otra manera en estudios de seguimiento de este accidente. Si bien hay consecuencias potencialmente devastadoras en una fusión nuclear, la probabilidad de que ocurra una es extremadamente pequeña. Después de cada crisis, incluido el desastre de Fukushima Daiichi de 2011, se implementaron nuevas regulaciones internacionales para evitar que tal evento vuelva a ocurrir.
Los procesos para extraer y refinar mineral de uranio y hacer combustible para reactores requieren grandes cantidades de energía. Las centrales nucleares cuentan con grandes cantidades de metal y concreto, que también requieren grandes cantidades de energía para su fabricación. Si se utilizan combustibles fósiles para extraer y refinar mineral de uranio o en la construcción de la planta nuclear, entonces las emisiones de la quema de esos combustibles podrían estar asociadas con la electricidad que generan las centrales nucleares.
Diseño y Operación de Reactores Nucleares
Video \(\PageIndex{1}\)El diseño y operación segura de un reactor nuclear.
Resumen
- Se describe la importancia de la energía nuclear en la generación de electricidad.
- Se describe el funcionamiento de una central nuclear.
- Se describen los inconvenientes de la energía nuclear.
Colaboradores y Atribuciones
CK-12 Foundation by Sharon Bewick, Richard Parsons, Therese Forsythe, Shonna Robinson, and Jean Dupon.
- Libretext: Introduction to Environmental Science (Zendher et al.)
Paul Flowers (University of North Carolina - Pembroke), Klaus Theopold (University of Delaware) and Richard Langley (Stephen F. Austin State University) with contributing authors. Textbook content produced by OpenStax College is licensed under a Creative Commons Attribution License 4.0 license. Download for free at http://cnx.org/contents/85abf193-2bd...a7ac8df6@9.110).