Centrales Nucleares, Tipos de Centrales y Origen de la Energia Nuclear.

1. República Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder Popular para la Educación Universitaria, Ciencias y Tecnología.
Universidad Politécnica Territorial del Estado Aragua
“Federico Brito Figueroa”
La Victoria- Edo. Aragua
Centrales Nucleares
Autor:
Rodman Ortega
C.I: V-25.618.284
La Victoria, Julio 2022
Prof: Aylin Ulloa

2. Fisión nuclear, qué es, cómo funciona y
ejemplos
 Inicio en el año 1934 con Enrico Fermín (Utilizo un neutrón contra
una muestra de Uranio con la idea de obtener elementos más
pesados).
 Años más tardes Otto Hahn y Lise Meitner repiten el experimento y
realizaron un estudio a fondo, en dichos estudios observaron que
aparecía Bario(Ba) en la muestra (Cosa que supuestamente no podía
ocurrir, ya que este elemento posee 36 nucleones menos que el
Uranio (Ur)); haciendo conclusiones tempranas de la división del
átomo de Uranio, y de ser así al partirse sobrarían neutrones por lo
que serían emitidos pudiendo esto a su vez producir la misma
reacción en otros átomos y así sucesivamente estaría comenzando
una reacción en cadena provocando en este proceso una terrible
liberación de energía.
 Lise Meitner huye de Alemania en 1942 por ser Judía, llevándose de
esta forma la clave para la construcción de las primeras Armas
Atómicas lanzadas en Hiroshima y Nagasaki

3.  Principio de Funcionamiento:
 Un átomo posee un núcleo de carga positiva (+) y electrones de orbitando a su
alrededor de carga negativa (-), dentro del núcleo se puede encontrar
[Nucleones, Protones y Neutrones] con un coctel de fuerzas, La
electromagnéticas {Que tienden a separarlos} y las fuerzas fuerte {Que
tienden a Unirlos}; este coctel de fuerzas es bueno para el átomo ya que
cuanto más elementos en el átomo es mejor para este.
 Al ir agregando más protones y neutrones al núcleo del átomo este va
subiendo por la tabla periódica, estando mucho más a gusto (teniendo que su
energía por nucleón sea menor), pero esta reacción no es constante por lo
que posee un límite, {De seguir aumentando la cantidad de Neutrones y
protones llega a un punto en que esto genera un gasto extra}, ocurriendo esto
en los núcleos a partir del átomo con número atómico 26 [Es decir 26
electrones y 26 protones] → siendo este elemento el Hierro “Siendo este el
más eficiente y estable del universo” poseyendo un menor energía por
nucleón.
 Más allá del hierro existen elementos más pesados poseyendo estos sus
núcleos mas comprimidos los (neutrones y protones).

4.  Más allá del hierro existen elementos más pesados poseyendo estos
sus núcleos mas comprimidos los (neutrones y protones).
 Al proceso por el que los átomos más pequeños se unen para
alcanzar un estado de menor energía se le llama fusión y la ruptura
de átomos para alcanzar la estabilidad se le llama Fisión (son dos
mecanismos que operan en el universo para alcanzar esa ansiada
estabilidad de la energía mínima.
 En la fusión se parte de dos átomos pequeños que se unen para dar
una mayor energía.
 En la fisión un átomo grande se divide en dos más pequeños para
más energía.
 En ambos casos la liberación de energía es enorme, mientras la
energía de ligadura de los electrones, la que se maneja
típicamente en las reacciones químicas es del orden de los Electrón
Voltio (eV)→ Fusion
 Mientras que la energía de Ligadura de los núcleos, la que se
maneja típicamente en las reacciones nucleares es millones de
veces mayor, hablando de Mega Electrón Voltio (MeV) →
10 𝑋 10−16
𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒 (Literalmente una porquería de Energía).

5.  Pero esta es la energía que libera un átomo, pero el
proceso de liberación de energía de este simple átomo
desencadena un proceso similar en átomos vecinos [“UNA
REACCION EN CADENA”]. Imaginando que en 10 gramos de
material hay 10 𝑥 1023
partículas; por lo que esa energía
tan pequeña en un átomo al expandirse por millones y
trillones de átomos queda una energía tremenda, siendo
esta millones de Joules de energía [Siendo esta la potencia
de las bombas atómicas y Centrales Nucleares] → Esto fue
lo que precisamente observaron Otto Hahn y Lise Meitner,
quienes se dieron cuenta de la gran capacidad de
generación de potencia de este proceso y ellos trabajaron
precisamente en esta forma de energía LA FISION que es la
que se da en las centrales nucleares actuales.
 Para poder obtener energía de este proceso de Fisión se
necesitan dos cosas, por un lado material fisionable y por
el otro una manera de que este proceso se mantenga [UNA
REACCION EN CADENA].
 El material fisionable por excelencia es el Uranio 235; esto
es lo que observo Fermín [Al contrario con lo que ocurre
con otros elementos que se desintegran
+𝛼
+𝛽
el Uranio 235 se
parte en 2 lo cual libera gran cantidad de energía.

6. Fermín obtuvo esta reacción al enviar los
recientemente descubiertos neutrones contra núcleos
de Uranio al no tener carga eléctrica penetran con
facilidad en el núcleo creando la Fisión, ahora
sabiendo esto como podemos conseguir una reacción
en cadena → Lise Meitner tenía la clave.
La Fisión del Uranio por la llegada de un neutrón da
lugar a dos átomos menores de energía y tres
neutrones, son estos nuevos neutrones los que pueden
fisionar a su vez otros átomos que liberan más
neutrones en una exponencial de energía, si esta
escala es descontrolada se produce una bomba, pero
si se control se puede usar en una central.
El Uranio 235 el cual es el material fisionable es un
elemento muy raro, a diferencia de su hermano
mayor el Uranio 238; en una piedra de Uranio el 99.3%
es Uranio 238 el material no fisionable, por lo tanto el
material extraíble de una mina no se puede utilizar
para llevar a cabo este tipo de reacción como materia
prima de una central nuclear, es necesario
enriquecerlo [Aumentar la proporción de Uranio 235].

7. El enriquecimiento básicamente consiste en
aumentar la proporción de Uranio 235 [El
fisionable], para armas nucleares el
enriquecimiento del Uranio lleva una
concentración del más del 90% de Uranio 235, para
aplicaciones de energía solo basta con un 2 – 5%,
dichos niveles aseguran la estabilidad y que dicha
central no se convierta en una bomba.
También se observó que los neutrones cuando iban
más lentos tenían más capacidad de fisionar los
átomos por lo tanto era fundamental detener estos
neutrones, para ello se utiliza algo llamado
moderador, un medio que lo que hace es robar
energía a los neutrones para ralentizarlos (Agua o
Grafito).

8. ¿Cómo funciona una central nuclear?
Una central nuclear es una instalación
industrial en la que se genera electricidad a
partir de la energía nuclear que se libera en
forma de energía térmica mediante una
reacción nuclear de fisión en cadena en la
vasija de un reactor nuclear.
El componente principal de una central es el
reactor nuclear, en el que se aloja el
combustible nuclear (habitualmente uranio) y
que cuenta con sistemas que permiten iniciar,
mantener y detener, de forma controlada, la
reacción nuclear.
El funcionamiento de una central nuclear sigue un proceso similar al de una central térmica
convencional, en la que la energía térmica se obtiene mediante la combustión de combustibles
fósiles. Sin embargo, en un reactor nuclear se obtiene a través de las reacciones de fisión nuclear en
cadena de los átomos de uranio del combustible nuclear.
La energía térmica liberada se utiliza para calentar agua hasta convertirla en vapor a alta presión y
temperatura. Este vapor hace girar una turbina que está conectada a un generador, que transforma
la energía mecánica del giro de la turbina en energía eléctrica.

9. Existen distintos tipos de reactores nucleares, pero se pueden destacar dos diseños que suponen más del
80% de las casi 450 unidades en funcionamiento en el mundo:
El reactor de agua a presión (Pressurized Water Reactor, PWR, por sus siglas en inglés)
El reactor de agua en ebullición (Boiling Water Reactor, BWR, por su siglas en inglés)
El funcionamiento de una central nuclear se puede simplificar en estas fases:
La fisión del uranio se lleva a cabo en el reactor nuclear, liberando una gran cantidad de energía que
calienta el agua de refrigeración que circula a gran presión. Esta agua se lleva mediante el circuito
primario a un intercambiador de calor (generador de vapor), en el que se produce vapor de agua.
Este vapor se transporta al conjunto turbina–generador mediante un circuito secundario.
Una vez ahí, los álabes o palas de la turbina giran por la acción del vapor. El eje de la turbina mueve el
alternador, que trasforma la energía mecánica en electricidad.
Cuando el vapor de agua ha pasado por la turbina, se envía a un condensador donde se enfría y se convierte
de nuevo en agua líquida.
Después, el agua se transporta de nuevo al generador de vapor para volver a conseguir vapor, en circuito
cerrado.

10. Principales componentes
Anteriormente se ha indicado que un reactor nuclear es una instalación capaz de iniciar, mantener y detener,
de forma controlada, las reacciones de fisión en cadena, disponiendo de los medios adecuados para extraer el
calor generado.
Sus componentes principales son:
Combustible. Material en el que tiene lugar las reacciones de fisión, normalmente se emplea dióxido de uranio
enriquecido. Se utiliza simultáneamente como fuente de energía y de neutrones para mantener la reacción en
cadena. Se presenta en estado sólido en forma de pastillas cilíndricas encapsuladas en varillas metálicas de
unos cuatro metros de longitud.
Pastillas de Uranio

11. Moderador. Agua que hace disminuir la velocidad de los neutrones rápidos generados en la fisión, lo que
posibilita nuevas fisiones y el mantenimiento de la reacción en cadena.
Refrigerante. Es el mismo agua que hace las funciones de moderador, y sirve para extraer el calor generado
por la reacción de fisión del uranio del combustible.
Barras de control. Son los elementos de control del reactor y actúan como absorbentes de neutrones. Son
barras de indio-cadmio o carburo de boro, que Permiten controlar en todo momento la población de
neutrones y mantener estable el reactor y también su parada cuando es necesario.
Blindaje. Evita que les radiaciones y los neutrones del reactor se escapen al exterior. Por lo general, se
utiliza hormigón, acero o plomo.
Elementos de seguridad. Todas las centrales nucleares disponen de múltiples sistemas de seguridad para
evitar que se libere radiactividad al exterior, entre los que se encuentra el edificio de contención.
Edificio de
contención
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Explicativo

12. ¿Cuáles son los tipos de reactores
nucleares?
 Los reactores nucleares forman parte de las centrales nucleares. El propósito de un reactor es
obtener energía a partir de la energía nuclear.
 El uso más habitual de este tipo de reactores es la producción de energía eléctrica. En los
reactores nucleares se generan reacciones en cadena de fisión (división de átomos de uranio)
para producir energía térmica. El resto de la central nuclear se encargará de utilizar esta
energía para convertirla en electricidad.
 Las diferencias entre los diferentes tipos de centrales nucleares de potencia se basan en la
forma de funcionar del reactor nuclear que utilizan para producir electricidad.
 Reactor de agua a presión (PWR)
 Reactor de agua en ebullición (BWR)
 Reactor de uranio natural, gas y grafito (GCR)
 Reactor avanzado de gas (AGR)
 Reactor refrigerado por gas a temperatura elevada (HTGCR)
 Reactor nuclear de agua pesada (HWR)
 Reactor reproductor rápido (FBR)

13. Reactor de agua a presión (PWR)
 El reactor de agua a presión es el reactor nuclear más utilizado en el mundo junto al reactor de agua
en ebullición (BWR). Este reactor se ha desarrollado principalmente en Estados Unidos, R.F. Alemania,
Francia y Japón.
 El combustible nuclear utilizado es el uranio enriquecido en forma de óxido. El uranio es uno de los
elementos de la tabla periódica más inestables, lo que lo convierte en idóneo para las reacciones de
fisión.
 El moderador y el refrigerante utilizado puede ser agua o grafito.
 La energía térmica generada por el núcleo del reactor es transportada mediante el agua de
refrigeración que circula a gran presión hasta un intercambiador de calor. El reactor se basa en el
principio de que el agua sometida a grandes presiones puede evaporarse sin llegar al punto de
ebullición.
 En el intercambiador el vapor se enfría y se condensa, y vuelve al reactor en estado líquido.
 En el intercambio el calor pasa a un circuito secundario de agua. El agua del circuito secundario se
convierte en vapor a alta presión que se utilizará para accionar las turbinas de vapor. Las turbinas
proporcionan energía mecánica para accionar el generador eléctrico y obtener electricidad.

15. Reactor de agua en ebullición (BWR)
 El reactor de agua en ebullición (conocido por las siglas en inglés BWR), también se utiliza con
frecuencia. Tecnológicamente ha sido desarrollado principalmente, en Estados Unidos, Suecia y
la R.F. Alemana.
 En este tipo de reactor nuclear utiliza agua como refrigerante y moderador de neutrones.
 El combustible nuclear utilizado es el uranio enriquecido en forma de óxido ya que facilita la
generación de fisiones nucleares.
 La energía térmica generada por las reacciones de fisión nuclear en cadena se utiliza para hacer
hervir agua. El vapor producido se introduce en una turbina que acciona un generador eléctrico.
El vapor que sale de la turbina pasa por un condensador, donde es transformado nuevamente en
agua líquida para volver a repetir el ciclo.
Reactor de uranio natural, gas y grafito (GCR)
 El reactor de uranio natural, gas y grafito es un tipo de reactor nuclear que utiliza uranio
natural en forma de metal como combustible nuclear. El combustible se introduce en tubos de
una aleación de magnesio llamado magnox.
 El moderador de neutrones utilizado es el grafito. El refrigerador térmico es gas, concretamente
anhídrido carbónico (CO2).
 La tecnología de este tipo de reactor nuclear, ha sido desarrollada principalmente en Francia y
Reino Unido.

18. Reactor avanzado de gas (AGR)
 El reactor avanzado de gas (AGR) ha sido desarrollado en el Reino Unido a partir del reactor
nuclear de uranio natural-grafito-gas.
 Las principales novedades son que el combustible nuclear, en forma de óxido de uranio
enriquecido, está introducido en tubos de acero inoxidable y que la vasija, de hormigón
pretensado, contiene los intercambiadores de calor en su interior.
 Reactor refrigerado por gas a temperatura
elevada (HTGCR)
 El reactor nuclear refrigerado por gas a temperatura elevada es una nueva evolución de los
reactores nucleares refrigerados por gas.
 Las diferencias con respecto al reactor nuclear avanzado de gas (AGR) son principalmente
tres:
 se sustituye el helio por el dióxido de carbono como refrigerante,
 se utiliza combustible cerámico en vez de combustible metálico
 las temperaturas del gas con el que trabaja son mucho más elevadas.

20. Reactor nuclear de agua pesada (HWR)
 El reactor nuclear de agua pesada es un tipo de reactor nuclear desarrollado principalmente
en Canadá. Una variante de este reactor es el reactor nuclear CANDU, muy popular en
Canadá.
 El combustible utilizado para la obtención de energía nuclear es el uranio natural, en forma
de óxido, que se introduce en tubos de circonio aleado.
 La principal característica del reactor de agua pesada es el uso de agua pesada como
moderador y refrigerante.
 En su diseño más habitual, los tubos del combustible nuclear se introducen en una vasija
que contiene el moderador. El refrigerante se mantiene a presión para mantener su estado
líquido. El vapor se produce en unos cambiadores de calor por los que circula el agua ligera.
Reactor reproductor rápido (FBR)
 La principal característica de los reactores rápidos es que no utilizan moderador de
neutrones y que, por tanto, la mayoría de las fisiones nucleares se producen por neutrones
rápidos.
 El núcleo de este tipo de reactor nuclear consta de una zona fisionable, rodeada de una
zona fértil en la que el uranio natural se transforma en plutonio. También puede utilizarse
el ciclo uranio 233-torio.
 El refrigerante es sodio líquido, el vapor se produce en intercambiadores de calor.

21.  ¿De qué otra forma se pueden clasificar los reactores nucleares?
 Existen otras clasificaciones de los tipos de reactores nucleares dependiendo del criterio
utilizado. Entre los criterios más habituales se encuentran:
 Según el combustible nuclear utilizado encontramos los reactores nucleares de uranio natural y
los reactores nucleares de uranio enriquecido. Otros reactores utilizan óxidos mixtos de uranio y
plutonio.
 Según la velocidad de los neutrones, es decir, de su energía cinética, producidas en las
reacciones nucleares de fisión: se distinguen los reactores rápidos y los reactores térmicos.
 Según el moderador utilizado pueden ser reactores nucleares de agua pesada, de agua ligera o
de grafito.
 Según el material utilizado como refrigerante: los materiales más habituales son un gas (helio o
anhídrido carbónico) o agua (ligera o pesada). Algunas veces estos materiales, a la vez, también
actúan como moderadores de neutrones. También se puede utilizar vapor de agua, sales
fundidas, aire, o metales líquidos como refrigerante.
 También se pueden distinguir los reactores nucleares por el tipo de reacción nuclear: si son
reacciones de fisión o de fusión. Actualmente, todos los reactores nucleares en producción son
reactores nucleares de fisión. El reactor de fusión nuclear se encuentra en fase de investigación
y desarrollo.

22.  El funcionamiento básico de una central nuclear con un reactor de agua a presión se puede
simplificar en 4 pasos:
 Obtención de energía térmica mediante la fisión nuclear del núcleo de los átomos (núcleo
atómico) del combustible nuclear.
 Generar vapor de agua mediante la energía térmica obtenida anteriormente en el generador
de calor.
 Accionar un conjunto de turbinas mediante el vapor de agua obtenido.
 Aprovechar la energía mecánica de las turbinas para accionar un generador eléctrico.
Este generador eléctrico generará electricidad.
 Desde un punto de vista físico se observan varios cambios de energía:
 Inicialmente tenemos energía nuclear (la que mantiene los núcleos de los átomos cohesionados).
Posteriormente, al romperse se convierte en energía térmica. Con la ayuda de la termodinámica,
parte de la energía térmica se convierte en vapor.
 La energía térmica pasa a ser energía interna del agua (ahora vapor). La energía interna y
la energía calorífica del agua se transforman en energía cinética al accionar la turbina.
 Finalmente, el generador convierte la energía cinética en energía eléctrica.

23. 1- Edificio de contención.
2- Torre de refrigeración.
3- Reactor.
4- Barras de control.
5- Acumulador de presión.
6- Generador de vapor.
7- Combustible nuclear.
8- Turbina.
9- Generador eléctrico.
10-Transformador.
11-Condensador.
12-Vapor.
13-Líquido saturado.
14-Aire ambiente.
15-Aire húmedo.
16-Río.
17-Circuito de refrigeración.
18-Circuito primario.
19-Circuito secundario.
20-Emisión de aire húmedo
(con vapor de agua).
21-Bomba de vapor de agua.

24. ¿Qué sucede en el reactor nuclear?
 El reactor nuclear es la parte más sensible y más importante de la central.
 El reactor es el encargado de convertir la energía nuclear en energía térmica. En
su interior se colocan las barras de combustible nuclear. Generalmente uranio.
El uranio es muy inestable.
 Si un neutrón choca con un átomo de uranio es muy provable que se rompa. Esta
rotura es una reacción de fisión nuclear. En una fisión nuclear se liberan trozos de
átomo y uno o dos neutrones más. Estos neutrones pueden chocar con átomos y
generar reacciones en cadena.
 Si estas reacciones no se controlaran cada vez se producirían más reacciones por
segundo. El calor generado sería tan alto que no se podría contener y el reactor se
fundiría (como en Chernobyl y Fukushima).
 Para que esto no pase existen las barras de control. Las barras de control tienen la
capacidad de atraer los neutrones. Sin neutrones no hay más reacciones.

25. ¿Cómo se genera la electricidad?
 Cuando el vapor ha accionado la turbina ha
transferido gran parte de su energía térmica a
la turbina. Ahora la turbina tiene energía
mecánica, gira.
 Esta turbina está conectada a un generador
eléctrico. el generador transforma la energía
cinética en energía eléctrica.
 El vapor de agua que sale de la turbina ha
perdido mucha energía calorífica pero sigue
siendo vapor muy caliente. Hay refrigerarlo
antes de volverlo a introducir en el circuito.
 Al salir de la turbina, el vapor se dirige a un
depósito de condensación. El agua estará en
contacto térmico con unas tuberías de agua fría
del exterior. El vapor de agua se vuelve líquido.
Mediante una bomba el agua se dirige
nuevamente al reactor.
 El ciclo se repite.

26. Ventajas de la energía nuclear
 Aunque tiene connotaciones negativas, por las noticias e incluso las películas sobre
accidentes y residuos radiactivos, la realidad es que la energía nuclear tiene
bastantes ventajas.
Las más importantes son:
 La energía nuclear es limpia durante su generación. De hecho, la mayoría de
reactores nucleares emiten, solamente, inofensivo vapor de agua a la atmósfera.
Ni CO2, ni metano, ni ningún otro gas contaminante o que contribuya al cambio
climático.
 La generación de energía es barata.
 Se puede generar una enorme cantidad de energía con solo una central, debido
al gran poder de la energía nuclear.
 Es casi inagotable. De hecho, hay expertos que consideran que la deberíamos
clasificar como renovable, dado que las reservas de uranio actuales permitirían
seguir produciendo la misma energía que ahora durante miles de años.
 Su producción es constante. Al contrario que muchas renovables (como la solar
que no se puede generar por la noche o la eólica que no se puede generar sin
viento), su producción es enorme y constante durante cientos de días seguidos. El
90% del año, excluyendo recargas y paradas de mantenimiento programadas, la
energía nuclear funciona a pleno rendimiento.

27. Desventajas de la energía nuclear
 A pesar de todo lo dicho, la energía nuclear también presenta grandes desventajas.
 Sus residuos son muy peligrosos. Tanto para la salud como para el medio ambiente
en general. Los residuos radiactivos son muy contaminantes, mortales y tardan
miles de años en degradarse, lo que hace que su gestión sea muy delicada. De
hecho, es un problema que aún no hemos resuelto.
 Los accidentes pueden ser muy graves. Las centrales nucleares están dotadas de
grandes medidas de seguridad, pero puede haber accidentes y, en ese caso, resultar
muy graves. La Isla de las Tres Millas en Estados Unidos, Fukushima en Japón o
Chernobyl en la antigua Unión Soviética son los ejemplos de lo que puede ocurrir.
 Son objetivos vulnerables. Tanto para catástrofes naturales como actos terroristas,
una central nuclear es un objetivo que puede causar un enorme daño si se destruye
o daña.
 Como vemos, las desventajas pueden no ser muchas, pero sí muy graves. Eso hace
que la percepción de la energía nuclear no sea muy positiva.