La central nuclear y cómo tener una en casa

¿Os acordáis del post de los plásticos y la maqueta que hicieron David y un roskientífico? Pues hoy a Roskiencia traemos una maqueta nueva, algo más divertida y con cuya elaboración nos hemos divertido muchísimo… ¡una central nuclear!

La central nuclear

Central nuclear de Trillo (Guadalajara)

Una central nuclear es una instalación que produce energía eléctrica a través de la energía nuclear (fuente de energía no renovable) que se libera al bombardear átomos de minerales radiactivos al provocar una fisión nuclear controlada.

El elemento químico que se usa para la fisión nuclear de las centrales nucleares es el uranio (aunque también se utiliza el plutonio), que se presenta en la naturaleza en forma de mineral. Existen tres isótopos del uranio: U-234 (0,005% del uranio natural), U-235 (0,71%) y U-238 (99,285%). El que sirve para generar energía es el U-235, ya que es un isótopo inestable (el U-238 no es fisible). Debido a que el U-235 es un isótopo que representa un bajo porcentaje con respecto al uranio natural, se purifica y se refina (se enriquece) hasta aumentar su proporción y así estar disponible para la reacción.

La fisión nuclear

La fisión nuclear es una reacción que se produce en el núcleo del átomo U-235 al ser bombardeado con neutrones, descomponiéndose en dos núcleos. Esta división provoca el desprendimiento de una gran cantidad de energía y varios neutrones que pueden seguir colisionando para formar más fisiones (reacción nuclear en cadena).

Fisión nuclear.

Reacción en cadena.

Para que la reacción nuclear esté controlada y no se produzcan tantas fisiones, las centrales nucleares presentan unas barras de control cuyos materiales (carburo de boro o aleaciones de plata y cadmio) son capaces de absorber algunos de los neutrones desprendidos en cada colisión y así detener la reacción en cadena.

De cada 2 neutrones que se desprenden en la colisión con el núcleo de cada átomo, solo uno es el que sigue la reacción en cadena.

La cantidad de energía que genera la fisión del uranio-235 es de 200 MeV, y es capaz de elevar la temperatura del agua hasta los 325°, cuya presión permite que el estado del agua siga siendo líquido.

Partes y funcionamiento de una central nuclear

Este fantástico archivo flash del periódico ‘El País’ explica cada paso del funcionamiento estupendamente, simplificado pero lo suficiente. Pero nunca está nada mal dejar por aquí el proceso…

El agua, que se combina como refrigerante (conduce el calor) y moderador (frena la alta velocidad que llevan los neutrones), llega hasta el núcleo del reactor a una presión de 150 atmósferas, donde la fisión de los átomos de U-235 eleva la temperatura del agua hasta transformarlo en vapor (en el generador de vapor).

Las barras de control, de unos 4 metros cada una (la misma dimensión que el combustible), actúan absorbiendo los neutrones para que no se descontrole la reacción en cadena (como se comentó antes), aunque también sirve para subir/bajar la reactividad del uranio, cambiar la potencia y/o parar el funcionamiento del reactor si se producen incidentes.

El vapor a presión pasa por una tubería que llega hasta la turbina, haciéndola girar, para posteriormente dirigirse a un condensador que enfría el vapor y lo convierte en agua, para realizar de nuevo el proceso.

La energía mecánica producida en la turbina se transforma en energía eléctrica en un generador. Este generador está dotado de un imán, llamado rotor, que gira e induce corriente eléctrica al estátor, una bobina de cobre. El conjunto turbina-generador se denomina alternador.

La corriente eléctrica pasa por un transformador, que eleva o reduce la tensión, manteniendo la potencia. A continuación pasa por la red eléctrica de alta tensión que lleva la corriente a vuestros fabulosos hogares.

Al transportar altas cantidades de energía eléctrica, tenemos que tener en cuenta que cuanta más intensidad se transporte, los cables eléctricos deben tener mayor sección, y que a mayor intensidad, gran parte de la electricidad se disipa al transformarse en energía calorífica, debido al elevado número de choques entre los electrones y el material del cable que los conduce. A esto se le denomina Efecto Joule.

Conclusión: si queremos transportar energía eléctrica, debemos aumentar el voltaje y disminuir la intensidad, para evitar las pérdidas por calentamiento de los cables.

La potencia disipada (P) se calcula multiplicando la resistencia (R) por la intensidad (I) al cuadrado,

sabiendo que la potencia se mide en vatios (W), la resistencia en ohmios (Ω) y la intensidad en amperios (A).

Pongamos un ejemplo. Si queremos obtener una potencia de 1.200 MW podemos transportar:

• 76.000 V con una intensidad de 9.300 A.
• 400.000 V con una intensidad de 1.700 A.

Según esos datos, para obtener la potencia disipada en ambos casos, tenemos que averiguar la resistencia, cuyo valor necesitamos para aplicar la fórmula anterior. Entonces tenemos:

1^er caso ⇒  ⇒  Ω

2^º caso ⇒ ⇒  Ω

Ya que tenemos la resistencia de ambos casos, calculemos la potencia disipada:

1^er caso ⇒  ⇒  W ⇒  MW

1^er caso ⇒  ⇒  W ⇒  MW

La potencia eléctrica disipada, por kilómetros de cable, en el primer caso es de 706,62 MW, y en el segundo caso de 679,99 MW (algo menor).

Centrales nucleares en España

¿Contamina una central nuclear?

Las centrales nucleares no contaminan a la atmósfera terrestre expulsando gases de efecto invernadero, ya que no queman combustibles fósiles como la mayoría de las centrales térmicas. Además, lo que expulsa las torres de refrigeración no es otra cosa que vapor de agua.

Gráfico de emisiones totales de CO2 por tipo de combustible

Sin embargo, al generar la electricidad a través de una reacción nuclear, se emiten residuos altamente radiactivos. Esta radiactividad «morirá» tras pasar miles de años, mientras hay que albergarlos en unos depósitos subterráneos, llamados cementerios nucleares (lo suficientemente profundos como para que no se emita nada al exterior).

Accidentes nucleares como el que ocurrió en Chernobyl no es probable que ocurran, ya que la tecnología de la que ahora disponemos es más segura que la de entonces y está todo más controlado; pero en el caso de que ocurriese, podría ser muy perjudicial y podría tener algunas de las siguientes consecuencias en los seres vivos:

• Seres humanos:
  • En el cerebro: hidrocefalia y Síndrome de Down.
  • En la glándula tiroides: cáncer.
  • En el sistema circulatorio: leucemia y disminución de glóbulos rojos, blancos y plaquetas.
  • Inutilidad del transplante de médula osea.
• Plantas y animales.
  • Malformaciones genéticas.

Cómo tener una central nuclear en casa

Es fácil y no hace falta tanto tiempo para construirla, es barata, puede quedar bastante guay si tu quieres, tampoco ocupa mucho sitio… vamos, que merece la pena.

Pero no, no va a generar electricidad ni tampoco va a poner «en cuarentena» a todos tus alrededores, porque va a ser de plástico y no va a tener paredes de hormigón de un metro de espesor como tienen los verdaderos reactores nucleares. ¿Queréis que os muestre la maqueta que hemos hecho David y yo? No es que sea de mucha calidad (tampoco los tamaños están a escala), pero si tanto insistís…

De estas dos imágenes separadas por la línea roja que muestran la central desde diferentes perspectivas, centrémonos en la de la derecha, en la que se muestra la central nuclear desde arriba, mostrando las torres de refrigeración (extremo superior izquierdo), el reactor nuclear (extremo inferior izquierdo) junto al condensador y el alternador (justo a la derecha del reactor), el transformador (en el «centro»), la torre eléctrica de alta tensión (extremo superior derecho) y una casa (extremo inferior izquierdo).

En esa imagen no se ve muy bien, así que a continuación os muestro unas imágenes donde se ve cada órgano de la central de una manera más específica (por ejemplo, el reactor y el alternador por dentro, que son muy importantes).

A la izquierda se ve claramente el reactor nuclear. A la derecha se ve sus componentes: núcleo del reactor (compuesto por las barras de control y el uranio), el generador de vapor, la bomba (que es en realidad el interruptor que enciende las bombillas) y varias tuberías que se suponen que llevan el agua.

Este es el alternador. En el centro se encuentra la turbina unida al generador mediante un eje. También colocamos una bombilla para darle un poco de decorado al asunto.

El condensador es lo que enfría el vapor que viene de la turbina, la convierte en agua y la deposita en un río/embalse/lago del que se abastece.

La imagen representa el transformador (aunque no sea muy verdadero…), lo que se encarga de elevar/bajar el voltaje de la corriente eléctrica (dentro del transformador es donde incrustamos la pila que le da «la verdadera electricidad» a las bombillas y al generador, pulsando el interruptor que representa la bomba en el reactor). A continuación lo lleva a la torre de alta tensión (que ya se comentó en anteriores párrafos su funcionamiento en la distribución de la electricidad).

La siguiente imagen muestra las torres de refrigeración. Perdonen nuestros despintes…

Bueno, y la casa donde ha llegado nuestra abstracta electricidad.

Ya veis, tener una central nuclear en casa no es nada difícil. Nos hemos divertido bastante haciendo esta pequeña maqueta. Volveremos con más proyectos como éste 🙂

NOTAS:

1) Esta entrada participa en la XXIV Edición del Carnaval de la Química alojado en el gran blog El Zombi de Schrödinger.

2) Esta entrada participa en la XLI Edición del Carnaval de la Física, alojado en esta ocasión en el blog El Factor Ciencia.

3) Puedes votar este post en Menéame aquí. Gracias.