Bienvenidos a esta nueva sesión del curso energías sustentables mí nombre es Julio Vergara, profesor de la escuela de ingeniería UC, En esta ocasion los sistemas de fisión nuclear para comprender los fundamentos de la energía nuclear tecnológica, conocer el estado actual de la industria algunas tecnologías y prototipos, la fisión nuclear es un proceso que ha dado en forma natural, y que se ha llevado una activad tecnológica desde el año 1942 cuando se opera el primer reactor experimental. Es una actividad comercial hoy en día en sector eléctrico desde 1954 así como proporción naval, un ejemplo típico de reacción se aprecia en la figura con la fisión del uranio 235, por la absorción de un neutrón térmico formando dos productos y suficientes neutrones para mantener una reacción en cadena, más radiación beta y gama librando todos estos una energía térmica equivalente a 200 millones de [inglés] electron balls, además de electricidad de proporción puede desalinizar agua, producir hidrogeno e isotopos de aplicación corriente en medicina, agricultura e industria. Los núcleos contienen energía a través de los enlaces nucleares, los núcleos muy pesados que están a la derecha como el uranio tienen un poco menos de energía relativa que los hace propensos a partirse cuando se sobre pueblan de neutrones, los productos de fisión que están más hacia el centro a la izquierda tienen unos 140 y 90 nucleones de 0,8 mev más de energía de enlace por nucleón aproximadamente. Esto confirma que la liberación de 0,8 por 235 nucleones libera 200 millones de [inglés] electron balls, además es una reacción anaeróbica y sin carbono por lo que no puede formar co2, que la instala como una forma sustentable para las necesidades presentes de la sociedad, funciona de noche nublado con calor o frio con viento o en calma, libera mucha energía a pequeña escala ocho ordenes de magnitud ocho ceros más que un evento de combustión convencional y por ello requiere poco espacio. Toda la generación de un país como Chile o Perú se puede instalar en un espacio no más grandes que el campus principal de esta universidad menos de 60 hectáreas. Posee recursos naturales para varios siglos con uranio basado el reactores clásicos en milenios basados en reactores donde las fisiones ocurren con neutrones rápidos usando uranio 238 convertido en protón, si se extrae del mar podría durar muchas más aún. Torio es otro recurso posible que se puede convertir en uranio usando neutrones con más recursos que el propio uranio en la tierra. La fisión nuclear es relativamente simple de realizar porque no hay repulsión para los neutrones que ingresan al núcleo de uranio para inducir la reacción con la tecnología vigente se prefiere neutrones lentos o moderados. En un reactor se establecen las fisiones y se controla la cantidad de neutrones y con ello la potencia autónomamente o por diseño, no obstante por usos militares previos previos la energía nuclear adquirió un estigma que aún no se disipa, a pesar qué no se requieren reactores nucleares si se quiere hacer una bomba, de hecho los primeros reactores de potencia aparecieron 10 años después de la segunda guerra mundial. Veamos el funcionamiento de un reactor, a partir de un sistema común como es el reactor de agua a presión o PWR típicamente con unidades de más de 1000 mega watts cada una, al descubrir el contenedor se encuentra un generador de vapor cuya fuente de calor intermedio es agua caliente circulando en un circuito cerrado de alta presión con la ayuda de una bomba de circulación, la fuente original de este calor es la fisión dentro del bloque rojo, la presión y temperatura del sistema se mantiene a través de un estanque presurizador. Los componentes principales son el reactor, uno o cuatro generadores de vapor más una o más bombas de circulación de refrigerante primario y un presurizador, el corazón del reactor contiene los elementos combustibles desde algunas decenas a algunas centenas según la potencia del sistema. El elemento combustible es un arreglo de unos 200 o más tubos sellados de circonio que contienen pellet cerámicos de uranio, lugar donde ocurren las reacciones de fisión, dentro de este elemento va una especie de araña con material absorbente neutrones para control y parada. El calor producido es evacuado a un fluido refrigerante que en el caso del PWR es agua a presión, esta es la forma de un elemento combustible que mide hasta cuatro metros de altura para maximizar la superficie contacto de los tubos con el refrigerante. Veamos lo que ocurre en tres tubos o vainas contiguas en el splano celeste que aparece al lado izquierdo de la figura. En los pellet que contienen uranio se libera el calor por fisión, un neutrón viaja chocando contra núcleos de hidrogeno del agua perdiendo velocidad hasta que es susceptible a ser absorbido por un núcleo de uranio, sí es el neutrón térmico o lento pasa cerca de un núcleo de uranio 235 será absorbido formando uranio 236 y lo más probable es que lo fisione el resultado es dos productos semi pesados lanzados a velocidad que entregan su energía cinética por repulsión electromagnética al resto del pellet. De los productos de fisión saldrán instantáneamente dos a tres neutrones de alta velocidad que salen del pellet en busca de otra vaina moderándose en su camino, además emite rallos gama y electrones o radiación beta en total contribuyendo con los 200 millones de [inglés] electron balls por fisión. Veamos nuevamente los componentes básicos del sistema primario para la generación de vapor, los cuales se integran a través de circuitos de agua a presión, estos son sistemas de 1400 mega watts con dos lazos de refrigeración y generación de vapor cada uno con dos bombas de circulación del refrigerante, el vapor producido en el generador pasa a otro edificio con turbo maquinas térmicas convencionales, típicamente un tren de turbinas de alta y baja presión con recalentamiento acoplados de un generador eléctrico. Las turbinas descargan a un condensador y aun tren de precalentadores de agua en el camino de vuelta al generador de vapor, estos equipos que integran la isla no nuclear llamada también BoP o Balance of Plant. Una unidad nuclear está constituida por un sistema primario dentro de un contenedor resistente impactos y un sistemas secundario donde genera la electricidad además requiere de gestión de combustible área de control y sistemas de emergencia esta es una silueta de un reactor coreano de 1400 mega watts, la sala de control de tal reactor se ve e la figura con amplia información y mando digital y sistemas analógicos de respaldo y sistemas de emergencia, esta es una silueta del reactor coreano que me refería de 1,400 mega watts. Normalmente las unidades se multiplican en sitios actos, esto corresponde al proyecto Barakah en Emiratos Árabes Unidos que ya tienen dos unidades que iniciaran operaciones en los próximos meses y las siguientes dos en tres años más. El PWR es el reactor dominante, en este sitio en Finlandia hay un PWR en proceso termino, dos reactores BWR o agua en ebullición v en los fines de los años 70 y se espera el inicio de la construcción de una cuarta unidad hacia la derecha. Los PWR como se aprecia en la tabla son el 70% de los reactores y los BWR son el 20%, el 10% restante son reactores moderados por agua pesada o grafito reactores refrigerados por CO2 y reactores de aspecto neutrónico rápido refrigerados por sodio. Más de 30 países usan energía nuclear con atributos visibles, algunos tienes muchos reactores pero sus sistemas eléctricos están dominados por fósiles, otros tienen menos unidades con más penetración, las barras muestran la capacidad instalada en estos países, los rombos muestran la participación de la energía nuclear en la generación eléctrica y las cruces muestran el factor de planta medio del país, el factor de planta medio global es 75% con varios países operando todo su parque cerca del 90%. Si se descontara Japón que enfrenta problemas políticos para reiniciar operaciones el factor de planta global sería 83%. La industria presenta dos líneas distinguidas por el tamaño son reactores grandes los que superan 700 mega watts por unidad, el promedio de la industria es de casi 900 mega watts, acá se ve un reactor, el AP1000 de 1,114 mega watts que se construye en Estados Unidos y China. La segunda línea es la de reactores pequeños aquellos menores a 300 mega watts, el concepto de la figura es un reactor PWR integrado muy simple que además se puede construir bajo tierra lo cual lo hace aún más seguro, la ventaja es que puede fraccionar el capital inicial a parte de ventajas técnicas y desplazamiento, esta figura permite comparar los elementos de un PWR grande y convencional y uno integrado y pequeño, se diversifican varios reactores cuya potencia total equivale a la del reactor grande. La energía nuclear no emite CO2 durante la operación, salvo una pequeña cantidad por la manufactura de cemento y acero usado en la construcción y el enriquecimiento de uranio durante la operación, sumando todos esos factores, es una de las tecnologías con menores emisiones. Uno de los principales inconvenientes de la energía nuclear es su reputación, cuyo fundamento son contrastables, de hecho destacados científicos climáticos han señalado que la porfiada oposición a la energía nuclear amenaza la capacidad de la humanidad para evitar un cambio climático peligroso. Pero hay personas que prefieren el cambio climático a la energía nuclear, sin saber que ellas mismas están ensambladas con fuerzas nucleares y sin saber que el origen de todas las formas de energía es nuclear. Contrario a lo que muchos piensan, la tecnología nuclear es una de las más seguras, ha sido la forma de energía que menos muertes ha provocado en su historia por unidad de electricidad generada, considerando el ciclo de cada combustible. La más peligrosa ha si sido el gas de petróleo, por debajo se encuentran el carbón y el petróleo y debajo está el gas natural y un orden de magnitud bajo este último esta la energía nuclear, lo mismo se puede apreciar en cuanto a fatalidades por accidente, las nucleares han sido bastante más benignas que los accidentes de otros sistemas de energía, una particular ventaja de la energía nuclear es el poco uso de terreno, esta figura muestra una central fotovoltaica de 100 megawatts. Que usa una gran superficie de terreno y que además genera una fracción del tiempo, a lo sumo 40% si tuviera seguimiento solar y tecnologías avanzadas, sobre esta superficie caben muchas unidas convencionales, se puede 37 veces más energía con tres centrales a carbón con sus patios de carga, lo mismo puede obtenerse con un reactor grande de 1,500 megawatts en una fracción del espacio. Por otro lado, en menos de un cuarto del área de esa planta fotovoltaica de 100 megawatt podría instalarse suficiente capacidad para generar toda la electricidad que requeriría un país como Chile, un aspecto que afecta a la industria de la energía es la necesidad de mover combustible, acá se muestra el número de viajes necesarios para abastecer una sola planta de 600 megawatts, si fuera de petróleo se necesitan cuatro viajes del petrolero más grande que ha existido al año. Se requieren seis viajes del buque carbonero más grande existente o bien 200 viajes de un tren de noventa carros con carbón, con gas natural se requieren ocho viajes del buque gasero más grande que existe, con energía nuclear se requiere un par de camiones para transportar 16 toneladas que usaría cada año un reactor nuclear, además de ingresar al reactor un elemento combustible es inocuo, después de su uso contiene material radioactivo que obliga a guardar los elementos gastados en un contenedor sellado y blindado. Antes de eso, el elemento combustible se ha dejado enfriar y de que caer en una piscina o un silo seco, para un reactor de 600 megawatts, no se necesitarían más de dos de esos contenedores cada año, la autonomía del uranio es amplia, más de 100 años si solo se consideran las reservas de alta ley hasta varios milenios si se consideran reactores avanzados. Si el uranio se extrajera del mar a un costo mayor pero no prohibitivo, extiende su autonomía a un rango virtualmente inagotable, el combustible nuclear se diseña para que sea económico de ese modo la energía nuclear logra una ventaja frente a las opciones fósiles, no obstante, esa tecnología aún no es lo mejor para aprovechar el combustible íntegramente. El uranio se enriquece hasta el 4% en su isotopo por 235 y aproximadamente 3% de eso se consume, además que se entrega energía de plutonio producido desde el isotopo 238, formando productos de fisión, de los materiales que se forman y otros que no se consumen solo los productos de fisión y algunos actínidos menores no son recuperables, de los 460 kilos de un elemento combustible inicial, no son aprovechables no más de 20 kilos, que deben ser guardados con cuidado para no afectar a las personas. La fisión nuclear es una energía madura con casi 400 gigawatts operables y 60 más en construcción, posee recursos para milenios sin emitir CO2 y es competitiva en mercados sin preferencia tecnológica por agentes políticos, aunque exhibe una débil aceptación social basada principalmente en percepciones y desconocimiento, difíciles de revertir. Además exhibe un escaso uso de suelo, 10 gigawatt por kilómetro cuadrado y es más segura que otras tecnologías de producción eléctrica, es posible resumir y concluir que la fisión produce calor y potencia eléctrica, así como propulsión a partir de uranio, a futuro la fisión podrá provenir de uranio 233 creado a partir de torio. Hoy es la tecnología que más genera electricidad, libre de emisiones de CO2, aunque no crece a una tasa necesaria para una mitigación temprana al cambio climático, los reactores vigentes son muy grandes, ocupan poco espacio, se espera que unidades más pequeñas agilicen su ingreso futuro, creando economías de escala productivas, presenta múltiples ventajas en diferentes ámbitos y desventajas manejables, es una réplica de procesos naturales, hasta la próxima sesión.
