En este artículo, vamos a explorar cómo funciona una central nuclear y cómo se obtiene electricidad a partir de la fisión del uranio. También discutiremos los conceptos de fusión y fisión, así como los elementos necesarios para mantener una reacción en cadena controlada en una central nuclear.
El núcleo y la energía nuclear
En el núcleo de un átomo ocurren cosas muy interesantes. Tenemos protones y neutrones, que están unidos por una combinación de fuerzas electromagnéticas y fuerzas fuertes. Esta combinación de fuerzas es beneficiosa para el átomo, ya que cuanto más elementos tenga, más estable estará. En física, la estabilidad significa tener menos energía, y para medir esto, utilizamos la magnitud conocida como energía nuclear.
A medida que añadimos más protones y neutrones al núcle o de un átomo, la energía por núcleo disminuye. Esto se puede comparar con compartir un piso con otras personas. Al principio, cada uno paga una cantidad determinada, pero al juntarse con más personas, el costo total se reduce y se ahorra dinero. Lo mismo ocurre con los núcleos atómicos, a medida que se añaden más partículas, la energía por núcleo disminuye.
El hierro, el elemento más eficiente
El hierro es el elemento más eficiente y estable del universo. Tiene la menor energía por núcleo, lo que significa que los núcleos están más comprimidos y cómodos. Todos los átomos desean ser como el hierro, ya que es el estado de menor energía.
Más allá del hierro, los núcleos se vuelven menos estables y menos cómodos. Esto se puede ver en una famosa curva que muestra la energía por núcleo para los elementos de la tabla periódica. A medida que avanzamos hacia elementos más pesados, la energía por núcleo aumenta.
Fusión y fisión nuclear
En el universo, existen dos mecanismos para alcanzar un estado de menor energía: la fusión y la fisión nuclear. La fusión ocurre cuando dos átomos pequeños se unen para formar uno más grande, liberando energía en el proceso. Este proceso se puede observar en las estrellas, donde el hidrógeno se fusiona para formar helio y produce energía.
Por otro lado, la fisión nuclear ocurre cuando un átomo grande se divide en dos más pequeños, también liberando energía. La fisión se puede observar en las reacciones nucleares y es el proceso utilizado en las centrales nucleares actuales para generar energía.
La energía liberada en la fusión y la fisión nuclear es enorme en comparación con la energía de las reacciones químicas. Mientras que la energía de ligadura de los electrones en las reacciones químicas es del orden de los electronvoltios, la energía de ligadura de los núcleos en las reacciones nucleares es millones de veces mayor, del orden de los megaelectronvoltios.
La fisión nuclear y las centrales nucleares
La fisión nuclear es el proceso utilizado en las centrales nucleares para obtener energía. Para que este proceso se mantenga y se produzca una reacción en cadena, se necesitan dos cosas: material fisionable y un moderador.
El material fisionable más comúnmente utilizado en las centrales nucleares es el uranio-235. A diferencia de otros elementos que se desintegran alfa o beta, el uranio-235 se divide en dos átomos más pequeños cuando es bombardeado con neutrones. Esta reacción libera una gran cantidad de energía.
Sin embargo, el uranio-235 es un elemento raro y poco común. En una piedra de uranio, el 99.3% de él es uranio-238, que no es fisionable. Por lo tanto, es necesario enriquecer el uranio para aumentar la proporción de uranio-235. El enriquecimiento de uranio se realiza aumentando la concentración de uranio-235 a más del 90% para aplicaciones de energía.
El segundo requisito para mantener una reacción en cadena es un moderador. Los neutrones tienen más capacidad de fusionar átomos cuando se mueven más lentamente. Por lo tanto, es necesario ralentizar y detener los neutrones para que puedan interactuar con otros átomos y generar más neutrones en una escalada exponencial de energía.
Para lograr esto, se utiliza un moderador, que es un medio que roba energía a los neutrones y los ralentiza. Los moderadores comunes utilizados en las centrales nucleares son el agua y el grafito.
El funcionamiento de una central nuclear
En una central nuclear, el uranio se encuentra en elementos combustibles dentro de la vasija del reactor, que funciona como una enorme olla a presión. El agua circula dentro de la vasija del reactor y actúa como moderador y refrigerante para extraer el calor generado por las reacciones de fisión. Este circuito primario se mantiene a alta presión, alrededor de 157 atmósferas.
La central nuclear tiene uno o varios circuitos que extraen el calor del núcleo del reactor. Cada circuito tiene un generador de vapor, que es un intercambiador de calor. El agua del circuito primario pasa por el generador de vapor y deja parte de su energía al enfriarse antes de volver al reactor. El vapor generado se dirige hacia unas turbinas, donde impulsa su movimiento a una gran velocidad, generando energía eléctrica.
Las turbinas están conectadas a un generador eléctrico, también conocido como alternador, que al girar produce una gran cantidad de energía eléctrica. Esta energía se transporta a través de transformadores para aumentar la tensión y se distribuye a los lugares de consumo a través de líneas de alta tensión.
Después de pasar por las turbinas, el vapor pierde energía y se condensa en un condensador, donde vuelve a convertirse en agua líquida. Para lograr esto, se utiliza agua del circuito terciario, que puede provenir de un río, un lago o directamente del mar.
Una vez que el agua vuelve al circuito secundario, se precalienta y se impulsa nuevamente hacia el generador de vapor para completar otro ciclo del circuito secundario.
«La energía producida por el átomo es realmente insignificante.» – Albert Einstein
En el núcleo de la ciencia nuclear, hemos explorado desde la danza de protones y neutrones hasta la elección eficiente del hierro, llegando a comprender la inmensidad de la energía liberada en la fusión y fisión nuclear. En las entrañas de las centrales nucleares, donde convergen la precisión y la complejidad, el uranio-235 y los moderadores desempeñan su papel, orquestando una sinfonía de calor que culmina en la generación de energía eléctrica. Así, mientras el vapor se condensa y el ciclo se repite, el flujo de energía se convierte en la melodía que ilumina nuestras vidas, recordándonos que, en la esencia misma de la materia, yace un poder extraordinario.
