Descripción básica de centrales nucleares, introducción a la energía nuclear. Situación en Argentina.

1. Nicolás Stroili- Leg: S-5015/6 – Ing. Eléctrica – FCEIA - UNR Página 1
Energía Nuclear: Principios y Aplicaciones
Nicolás T. Stroili.
Introducción a la Ingeniería Eléctrica.
Escuela de Ingeniería Eléctrica; Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura.
Universidad Nacional de Rosario.
Rosario, Santa Fé (2000), Argentina.
1. Introducción: ¿Qué es la energía
nuclear?
La energía nuclear es la energía en el núcleo de un
átomo. Los átomos son las partículas más pequeñas
en que se puede dividir un material. En el núcleo
de cada átomo hay dos tipos de partículas
(neutrones y protones) que se mantienen unidas. La
energía nuclear es la energía que mantiene unidos
neutrones y protones.
La energía nuclear se puede utilizar para producir
electricidad. Pero primero la energía debe ser
liberada. Ésta energía se puede obtener de dos
formas: fusión nuclear y fisión nuclear. En la
fusión nuclear, la energía se libera cuando los
átomos se combinan o se fusionan entre sí para
formar un átomo más grande. Así es como el Sol
produce energía. En la fisión nuclear, los átomos se
separan para formar átomos más pequeños,
liberando energía. Las centrales nucleares utilizan
la fisión nuclear para producir electricidad.
En la foto se observa una central nuclear
generadora de electricidad.
A modo de explicación básica:
Cuando se produce una de estas dos reacciones
físicas (la fisión nuclear o la fusión nuclear) los
átomos experimentan una ligera pérdida de masa.
Esta masa que se pierde se convierte en una gran
cantidad de energía calorífica como descubrió el
Albert Einstein con su famosa ecuación E=mc2
.
Aunque la producción de energía eléctrica es la
utilidad más habitual que se le da a la energía
nuclear, también se puede aplicar en muchos otros
sectores, como en aplicaciones médicas,
medioambientales o bélicas (ver caso Hiroshima de
la Segunda Guerra Mundial, una de las
aplicaciones de la energía nuclear más
devastadoras para la humanidad).
En Argentina, la entidad responsable de asesorar
sobre actividades nucleares es la CNEA: Comisión
Nacional de Energía Atómica. Es considerada una
de las 9 entidades académicas con mayor prestigio
a nivel mundial y líder en Latinoamérica.
2. Inicios Históricos de la Energía
Nuclear
El filósofo griego Demócrito de Abdera fue el
primero en dar una definición de átomo: la parte
más pequeña constituyente de la materia. Esto fue
en el siglo V a. de C. Átomo proviene del griego y
significa “no-divisible”. Aunque más tarde
aparecería el concepto de fisión nuclear que
precisamente se trata de obtener energía dividiendo
átomos.
Más tarde, en 1803, el químico británico John
Dalton afirmaba en su libro A New System of
Chemical Philosophy que los elementos se
formaban a partir de determinadas combinaciones
de átomos y que todos los átomos de un mismo
elemento eran idénticos.
En 1897, J. J.Thompson anunció el descubrimiento
de una partícula cargada negativamente a la que
llamó electrón. Fue capaz de deducir también la
relación entre la carga de una partícula (e) y su
masa (m). Los electrones son elementos que
cargados negativamente que van orbitando
alrededor de un núcleo.
En 1896, el físico francés Antoine-Henri Becquerel
comprobó que determinadas sustancias, como las
sales de uranio, producían radiaciones penetrantes
de origen desconocido. Este fenómeno fue
conocido como radioactividad.
El científico francés estaba trabajando en su
laboratorio y dejó descuidadamente unas sales de
uranio junto a unas placas fotográficas que
aparecieron posteriormente veladas. Después de
investigarlo se dio cuenta que el causante fueron
las placas era el uranio. Gracias a su

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descubrimiento Becquerel se convirtió en el
“padre de la energía nuclear”.
En la misma época, el matrimonio francés formado
por Pierre y Marie Curie descubrió otro elemento
de mayor actividad llamado polonio. Además,
descubrieron un segundo elemento al que llamaron
radio.
Los tres elementos nombrados (uranio, polonio y
radio) tomaran una gran importancia en el
desarrollo de la energía nuclear.
A partir de aquí se dieron una serie de
investigaciones científicas en el campo de la
energía atómica de gran importancia a nivel
mundial entre los que se encuentran:
 Constante de Planck: el científico Max
Planck descubrió que la energía es emitida
en pequeñas porciones llamadas quantos.
 Teoría de la Relatividad de Einstein: Su
conocida ecuación E=mc2
resultó ser
revolucionaria para los posteriores estudios
de física nuclear, aunque en aquellos
tiempos no se disponía de medios para
demostrarla experimentalmente.
 Modelo atómico de Bohr: según el cual los
electrones estaban distribuidos en niveles
cuánticos, a cierta distancia del núcleo,
constituyendo la configuración electrónica
de los distintos elementos.
 Descubrimiento del neutrón: en 1932,
Chadwick “midió” la masa de una nueva
partícula deduciendo que era similar a la
del protón pero con carga eléctricamente
neutra.
 Radioactividad artificial: Frédèric Joliot e
Irene Curie infirieron que construyendo
elementos radiactivos mediante el
bombardeo con partículas alfa de algunos
elementos químicos, se podía lograr la
radioactividad, hasta entonces conocida
solo por su carácter natural.
 Fisión nuclear: A finales de 1938, en los
umbrales de la Segunda Guerra Mundial,
un equipo de investigadores alemanes en el
Kaiser Wilhem Institut de Berlín, pudieron
deducir que al bombardear el uranio con
neutrones, éste capturaba un neutrón y se
escindía en dos fragmentos, emitiendo de
una gran cantidad de energía. Se había
descubierto la fisión nuclear.
3. Aspectos técnico-científicos de la
energía nuclear
3.1 Fisión Nuclear
Ya dijimos que la fisión nuclear es la división del
núcleo de un átomo.
El núcleo se convierte en diversos
fragmentos con una masa casi igual a la
mitad de la masa original más dos o
tres neutrones.
La suma de las masas de estos fragmentos
es menor que la masa original. Esta 'falta'
de masas (alrededor del 0,1 por ciento de la
masa original) se ha convertido en energía
según la ecuación de Einstein (E=mc2
).
La fisión nuclear puede ocurrir cuando un
núcleo de un átomo pesado captura un
neutrón (fisión inducida), o puede ocurrir
espontáneamente debido a la inestabilidad
del isótopo (fisión espontánea).
3.2 Reacciones nucleares en cadena
Una reacción en cadena es un proceso mediante el
cual los neutrones que se han liberado en una
primera fisión nuclear producen una fisión
adicional en al menos un núcleo más. Este núcleo,
a su vez produce neutrones, y el proceso se repite.

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Aquí surge una primera distinción: las reacciones
en cadena pueden ser controladas o no
controladas.
Según sea el tipo de reacción, variara la aplicación
para la cual se la utiliza.
Una reacción en cadena controlada es la utilizada
en las centrales atómicas para la generación de
vapor y posterior generación de electricidad. Este
control se realiza(a grandes rasgos) mediante la
introducción de barras de control formadas por un
material fuertemente absorbente como ser el boro o
cadmio. A modo de ilustración este seria el
proceso de una reacción controlada:
Por el contrario, una reacción en cadena no
controlada es, por ejemplo, la utilizada para armas
nucleares, la fisión se realiza en forma arbitraria y
caótica y la expansión no tiene control, de ahí el
daño irreparable que estas armas profieren.
Daremos especial atención a las reacciones en
cadena controladas, ya que son las utilizadas en la
generación de energía eléctrica y por lo tanto, es la
parte inherente a nuestro interés.
3.3 La reacción nuclear controlada
Para controlar la reacción en cadena, por cada 2 o
3 neutrones liberados por la fisión, a solo uno se le
debe impactar en otro núcleo de uranio.
Si esta relación es menor a 1, la reacción se
detendrá y si es mayor a 1, la reacción aumentara
indefinidamente y tendremos una reacción no
controlada (una explosión nuclear).
Para realizar este control, se cuenta con materiales
de absorción de neutrones. La mayoría de los
reactores de fisión utilizan barras de cadmio o
boro.
Surge de la explicación el concepto de masa
crítica: la cantidad mínima de material fisionable
para que se mantenga una reacción nuclear en
cadena. Aunque en cada fisión nuclear se
producen entre dos y tres neutrones, no todos
neutrones están disponibles para continuar con la
reacción de fisión. Si los neutrones se pierden a un
ritmo más rápido de lo que se forman, la reacción
en cadena no será autosostenible y se detendrá.
La cantidad de masa crítica de un material
fisionable depende de varios factores: propiedades
físicas, propiedades nucleares, de su geometría y
de su pureza.
4. Funcionamiento de una central
nuclear
El principal uso que se le da a la energía atómica
es la generación de energía eléctrica.
Prácticamente, todas las centrales nucleares
utilizan la fisión nuclear, ya que la fusión nuclear
resulta inviable, a pesar de estar en desarrollo.
El funcionamiento de una central nuclear, es
similar al de una central de carbón, petróleo o gas
excepto en la forma de proporcionar calor al agua
para su posterior conversión a vapor. En las
centrales nucleares este calor se obtiene fisionando
átomos de uranio o uranio enriquecido según sea el
tipo de reactor.
A nivel mundial, el 90% de los reactores son de
agua ligera, en sus versiones de agua a presión o
agua en ebullición, de modo que centraremos
nuestra explicación en este tipo de reactor.
4.1 Funcionamiento de la central
Básicamente, se basa en la obtención de energía
calorífica mediante la fisión nuclear del núcleo con
los átomos del combustible. Esta energía calorífica
se encuentra en el vapor de agua, que luego
transformaremos en energía mecánica mediante
una turbina, que gira por el paso del vapor de agua
y finalmente convertida en energía eléctrica
mediante un generador eléctrico, que funcionara
por la rotación axial de la turbina.
El reactor nuclear es el encargado de provocar y
controlar estas fisiones que generaran una gran
cantidad de calor, cuyo aplicación es la de
convertir agua en vapor a alta temperatura y
presión.
El agua transformada en vapor sale del edificio de
contención debido a la alta presión a que está
sometido hasta llegar a la turbina y hacerla girar.

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En este momento parte de la energía calorífica
del vapor se transforma en energía cinética.
Esta turbina está conectada a un generador
eléctrico mediante el cual se transformará la
energía cinética en energía eléctrica.
El vapor salido de la turbina, aunque ha perdido
energía calorífica, sigue estando a una
temperatura elevada y en estado gaseoso, por lo
que es necesario refrigerarla para luego volver a
introducirla en el circuito. Por esto, luego de su
paso por la turbina, el vapor ingresa en un depósito
de condensación donde se enfría al estar en
contacto con tuberías de agua fría.
Luego mediante una bomba, ya el agua en estado
liquido, vuelve a ingresar al circuito para repetir el
ciclo. Por este motivo, la instalación de centrales
nucleares se realiza en zonas cercanas a fuentes
abundantes de agua (lago, rio, mar).(1)
La columna de humo blanco que se observa en la
fotografía superior, es debida al intercambio de
calor entre el vapor y el depósito de condensación.
4.2 Una clasificación de los reactores
nucleares
Hay diversos tipos de clasificación de los reactores
nucleares como ser: tipo de combustible utilizado,
velocidad de los neutrones, moderador utilizado,
etc.
Le daremos énfasis al primer tipo de clasificación:
según el tipo de combustible utilizado.
Según esta clasificación encontramos los reactores
nucleares de uranio natural y los reactores
nucleares de uranio enriquecido. El combustible
de uranio natural contiene la misma proporción de
uranio que se encuentra en la naturaleza, mientras
que en el combustible de uranio enriquecido esta
proporción se aumenta artificialmente.
Técnicamente, el uranio natural se lo conoce como
U-238 o uranio-238, que es el nombre del isotopo
de uranio que se presenta con mayor frecuencia y
cantidad en la naturaleza.
El uranio enriquecido se lo conoce como U-235,
que en la naturaleza es de una proporción
extremadamente baja, (una proporción en peso de
alrededor del 0,7 % de 235
U).
Existen diversos métodos en la industria nuclear
como la difusión gaseosa o térmica, el proceso de
gas centrifugado, separación electromagnética de
isotopos, métodos químicos, entre otros.
Resumidamente, estas son las etapas de la
obtención del combustible nuclear:
4.2.1 Principales reactores comerciales en
uso.
Estas son las denominaciones de los reactores
comerciales utilizados en la actualidad), junto a su
número en el mundo (entre paréntesis) y sus
características principales:
 PWR (VVER en ruso). (264). Uranio
enriquecido, moderador y refrigerante
agua ligera.
 BWR. (94). Uranio enriquecido,
moderador y refrigerante agua ligera.
 CANDU. (43). Uranio natural, moderador
y refrigerante agua pesada.
 AGR. (18). Usa uranio enriquecido como
combustible, moderador grafito,
refrigerante CO2.
 RBMK. (12). Uranio natural o
enriquecido, moderador grafito,
refrigerante agua ligera.
 Otros. 4 reactores rusos que usan uranio
enriquecido, moderador grafito y
refrigerante agua ligera

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(1)Nota: Se anexa al final de esta monografía, un
diagrama del funcionamiento de una central nuclear
con un reactor de agua a presión (PWR, por sus siglas
en ingles)
5. Actividad nuclear en Argentina
Desde principios de la década del 50, con la fundación
de la CNEA (Comisión Nacional de Energía Atómica,
ubicada en Bariloche), Argentina comenzó a interesarse
por la energía nuclear.
En 1964 se comenzaron los estudios de viabilidad y
factibilidad de una instalación en la región de Buenos
Aires, operando en 300-500 MW de potencia. Así
surgió la central Atucha I en 1974 construida casi
íntegramente por la empresa Siemens, convirtiéndose en
la primer central atómica en Argentina (Foto).
Actualmente, Atucha I sigue en funcionamiento
habiendo generado en su vida útil 65.000 millones de
Kwh de energía eléctrica utilizando 1400 toneladas de
Uranio. Ademas, se cuenta con dos centrales eléctricas
mas:
 Atucha II, de 745 MW eléctricos, de uranio
natural, como moderador utiliza agua pesada.
 Embalse. La 2º central nuclear argentina. Es la
maquina térmica mas grande de Sudamérica,
con una potencia neta de 600 MW
eléctricos.(Foto).
6. Fuentes consultadas.
 http://es.wikipedia.org/wiki/Uranio
 http://es.wikipedia.org/wiki/Energía_nuclear
 http://energia-nuclear.net/
 http://www.cab.cnea.gov.ar/
 http://es.wikipedia.org/wiki/Central_nuclear
 http://www.na-sa.com.ar/centrales/atucha2

6. Nicolás Stroili- Leg: S-5015/6 – Ing. Eléctrica – FCEIA – UNR Anexos-1
1-Edificiodecontención.2-Torrederefrigeración.3-Reactor.4-Barrasdecontrol.5-Acumuladorde
presión.6-Generadordevapor.7-Combustiblenuclear.8-Turbina.9-Generadoreléctrico.10-
Transformador.11-Condensador.12-Vapor.13-Líquidosaturado.14-Aireambiente.15-Airehúmedo.16-
Río.17-Circuitoderefrigeración.18-Circuitoprimario.19-Circuitosecundario.20-Emisióndeairehúmedo
(convapordeagua).21-Bombadevapordeagua.