Este curso introductorio aborda conceptos de energía sustentable y describe tecnologías avanzadas que pueden sustituir progresivamente las actuales dominadas por el carbón, el petróleo y gas natural, cuyas emisiones está perturbando progresivamente el clima, lo que puede afectar el desarrollo y la convivencia internacional. Este curso ilustra los impactos que provoca la transformación de energía para estimular el desarrollo de cambios en las formas y tecnologías de producción y uso de la energía, comprendiendo su origen físico, sus desafíos, compromisos y externalidades. Se estudia la evolución del clima global y los escenarios que se contemplan. En base a ellos, se promueve la adopción de recursos naturales de larga autonomía, cuya transformación emite el mínimo impacto ambiental y climático y cuyas tecnologías son posibles de implementar a costos abordables para la sociedad, considerando que un sexto de la población global aún no accede a la electricidad ni a otros servicios energéticos esenciales para su desarrollo. Se proponen soluciones efectivas para la mitigación del cambio climático y se enuncian opciones aún en estudio.
Fisión nuclear
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Del curso dictado por Pontificia Universidad Católica de Chile
Explorando la Energía Sustentable
62 calificaciones
De la lección
Tecnologías sustentables
En este módulo estudiarás los fundamentos detrás de las tecnologías para la producción de energía nuclear y energías renovables no convencionales (ERNC). Podrás evaluar y comparar las fortalezas y debilidades de cada una de estas tecnologías en cuanto a su impacto ambiental y su potencial de generación eléctrica.
Conoce a los instructores
Julio VergaraPhD in Nuclear Materials Engineering
Profesor Asociado Adjunto de la Escuela de Ingeniería UC.
César Sáez NavarreteDoctor en Ciencias de la Ingeniería
Departamento de Ingeniería Química y Bioprocesos
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.
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