De la energía nuclear de fisión (3): El proceso de fisión

Seguimos con nuestra serie sobre la energía nuclear de fisión. Tras haber hablado del combustible utilizado para generar energía y de su transporte a las instalaciones nucleares hoy vamos a hablar del proceso de fisión propiamente dicho.

A modo de rápido recordatorio, los átomos se componen de un núcleo que contiene protones (con carga eléctrica positiva) y neutrones (sin carga eléctrica) rodeado de capas de electrones (con carga eléctrica negativa). El número de protones y electrones es el mismo e igual, cuando el núcleo es estable, al número de neutrones. Sin embargo, cuando el número de neutrones es diferente hace que el núcleo sea inestable y se desintegre. También existen núcleos estables o inestables que pueden absorber neutrones y volverse, por lo tanto, inestables y desintegrarse. Aquí estamos entendiendo la desintegración como el proceso por el cual un átomo de un elemento de alto número atómico, se divide en dos átomos con un número atómico inferior. A este proceso se le conoce como fisión nuclear.

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Fisión nuclear (Fuente: Wikimedia Commons)

El 235U que se utiliza como combustible nuclear es muy útil para este propósito porque:

  • Absorbe fácilmente neutrones, con lo cual se vuelve inestable (se convierte en 236U).
  • El 236U tiene un alta probabilidad de fisionarse.
  • La fisión del 236U libera energía en forma de calor que se utiliza para generar vapor de agua que a su vez se utiliza para generar electricidad.
  • La fisión del 236U libera dos o tres neutrones adicionales que pueden colisionar con otros átomos de 235U y así mantener una reacción en cadena.

Para que se produzca la absorción del neutrón por parte del 235U, el neutrón ha de moverse despacio, por que así se incrementa la sección eficaz, el “tamaño” del núcleo en relación al neutrón.

Con el objetivo de frenar a los neutrones, el combustible, las vainas de zircaloy con pastillas de dióxido de uranio en su interior, están introducidas en agua que a su vez se utiliza como refrigerante para extraer el calor generado en las reacciones de fisión a través de la formación de vapor que es utilizado para generar la electricidad. El proceso de frenado de los neutrones se conoce como termalización o moderación.

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Soporte de las vainas de combustible (Fuente: Wikimedia Commons)

La fisión, como hemos dicho, genera calor, pero se genera muy poco en cada fisión por lo que para generar energía debemos de producir trillones de fisiones por segundo, para elevar la temperatura del agua. Estos trillones de reacciones se producen gracias a la presencia de muchos átomos de 235U en el núcleo del reactor y a que por cada fisión se liberan neutrones que mantienen la reacción en cadena. Cuando por cada reacción de fisión que se produce, vuelve a tener lugar otra fisión por un neutrón liberado, se dice que el reactor ha alcanzado la criticidad y la reacción en cadena se mantiene.

Pero, ¿qué ocurre con los neutrones que no se utilizan para nuevas reacciones de fisión? Si se quedaran en el interior de núcleo del reactor, podrían provocar la fisión de nuevos núcleos de 235U y la reacción dejaría de ser controlada con lo que se correría el riesgo de que el reactor explotara, de hecho esta reacción incontrolada es la que se utiliza en las bombas atómicas. Por ello se utilizan venenos neutrónicos que pueden ser los propios elementos estructurales de la vasija del reactor, los propios productos de la fisión o elementos del refrigerante, con lo cual no son controlables por el operador del reactor o elementos introducidos ad hoc como es boro disuelto en el refrigerante o barras de control. Cuando se añade más boro o se insertan las barras de control, se disminuye el número de reacciones de fisión y cuando se extraen, se aumentan.

Control rods

Barras de control (Fuente: http://emilms.fema.gov/IS3/FEMA_IS/is03/REM0402110.htm)

Los productos de fisión suelen ser extremadamente radiactivos por lo que en el diseño de la central nuclear en general y de la vasija del reactor en particular, se ha de tener en cuenta este hecho y establecer blindajes que eviten la emisión de estos productos al exterior.

Aunque la generación de electricidad se lleva a cabo de manera diferente en los distintos tipos de centrales nucleares, el proceso de fisión que produce el calor es el mismo en todos los casos. En las siguientes entradas hablaremos de los tipos más importantes de centrales nucleares que existen.

Referencias

Física Cuántica. Carlos Sánchez del Río (Coordinador). Pirámide

Nuclear Regulatory Commission

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5 pensamientos en “De la energía nuclear de fisión (3): El proceso de fisión

  1. Tengo una duda, hace tiempo que creo que cuando hay una fisión descontrolada (Chernobyl, Fukusima…) no tenemos un método eficaz y que no genere subproductos altamente radiactivos. La duda es… ¿Como pueden decir que la energía nuclear es segura si no tenemos un botón de “STOP” de emergencia?
    Aprovecho para felicitarte por estos post que me están resultando muy interesantes.

    • Hola Pio, gracias por pasarte y comentar. Me alegro que te estén resultando interesantes los posts. Voy a intentar darte una respuesta, que se me antoja larga, aunque el tema es complicado. Para empezar, la generación de energía nuclear no es segura, igual que no es viajar en avión, montar en coche, o salir a la calle (te puede caer una maceta en la cabeza). La seguridad en cualquier campo, por desgracia, se basa en un cálculo de probabilidades. Los casos de Chernobyl o Fukushima entre muchos otros fueron fallos en cadena, y en algunos casos fueron fallos humanos. Si en una central ocurre un único fallo en un sistema crítico, no pasa nada porque hay redundancia, independencia, separación física, etc. El mecanismo de STOP de emergencia, son las barras de control. Una vez introducidas, la reacción en cadena se detiene, pero no inmediatamente, porque todavía quedarán neutrones con suficiente energía como para seguir durante 2/3 minutos las reacciones. En el caso del accidente del TMI-2, pasaron muchas cosas, pero una de ellas es que ni después de introducir las barras se paró la reacción porque otro fallo había hecho que se perdiera el agua que refrigera el núcleo, por lo que se había calentado demasiado y se había producido la fusión del núcleo. Como ves, todo es muy complicado y depende de probabilidades (que se estudian al detalle) por lo que siempre existirá una probabilidad (muy pequeña) pero existirá.

      • Tengo entendido que los pro nuclear siempre repiten el mantra de que es segura y que es limpia. Pero aun no siendo un erudito en la materia te das cuenta de que eso no es así.
        Si las barras de control es la única manera de hacer un STOP incluso en caso de emergencia eso es un problemas porqué creo recordar que en el caso de Chernobyl cuando quisieron introducirlas ya era demasiado tarde porqué del calor ya se habían empezado a fusionar el núcleo del reactor.
        Lo que me hace pensar y corrígeme si me equivoco… que por muchos sistemas redundantes de refrigeración y soporte una vez empieza una reacción en cadena que sobrepasa la limitación del diseño no hay manera de pararlo.
        Y para mí desde mi ignorancia una parada de emergencia sería poder inyectar “algo” químico (que no sea boro) que frene en seco las reacciones en cadena y la necesidad de mantener refrigerado el reactor para evitar su explosión y consiguiente escape de subproductos a la atmósfera,ríos, etc…
        Las probabilidades están a su favor después de tantos años de uso de energía nuclear los “accidentes” no han sido tantos como para no decir que no es segura.
        Muchas gracias por contestarme, es difícil encontrar personas con las que poder hablar este tema.

      • En principio, las barras de control están diseñadas para parar una reacción descontrolada según el diseño de potencia que vaya a suministrar la central. Como dices, si se sobrepasan las capacidades para la cual fue diseñada, mejor echar a correr. Por eso, las centrales casi nunca operan al 100% de su capacidad de generación de energía. Inyectar algo más, es complicado, principalmente porque la radiactividad no es realmente un proceso químico (bueno, los químicos probablemente dirán que sí ;o)) sino un proceso inherente a elementos pesados debido a la interacción débil (que es una fuerza fundamental de la naturaleza).
        Yo no es que esté a favor de la energía nuclear, pero tampoco en contra. Lo cierto es que para vivir necesitamos energía y de momento si confiamos sólo en renovables o sólo en derivados del carbón o sólo en núclear, no sé si llegaríamos a poder, ni siquiera, cargar el móvil. Hay que buscar un equilibrio. Lo que pretendo con estas entradas es plasmar aunque sea a alto nivel el funcionamiento, ya que hay muchos mitos, por un lado, como dices tu, que los pro nucleares dicen que es totálmente segura y por otro los que están en contra que dicen que es totalmente insegura. Ni una cosa ni la otra.
        Te agradezco mucho el intercambio de comentarios. Es cierto que es difícil encontrar personas con las que hablar de esto, sobre todo sin discutir!

  2. Para discutir de un tema hay que saber de lo que habla y yo solamente soy una mente inquieta. 🙂 Gracias por aclararme las dudas.
    Espero el siguiente post con ganas.

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