El Combustible Nuclear: Desde los Óxidos de Uranio Hasta su Confinamiento Final

Los óxidos de uranio (Pechblenda o Uraninita) tienen formas variables UO₂ o UO₃. Estos minerales son mayoritariamente U²³⁸ y un 0,7% U²³⁵. El uranio metálico se obtiene haciendo reaccionar el dióxido de uranio con HF y posteriormente con magnesio. Para los reactores nucleares más comunes, PWR y BWR, el más utilizado es el U²³⁵, por lo cual se debe enriquecer.

Procesos de Enriquecimiento

Al uranio se le hace un tratamiento para que sea uranio enriquecido, ya que algunos reactores de agua (como el PWR o BWR) solo pueden trabajar con uranio enriquecido. Para el enriquecimiento de uranio se usa el UF₆, que es sólido a temperatura ambiente y no sublima por encima de los 56ºC.
UF₆ + F₂ → UF₆
A partir del UF₆ se puede obtener el UO₂, que es el combustible de las centrales PWR y BWR.
UF₆ + H₂ + H₂O → UO₂ + 6HF

Enriquecimiento por Láser

Aún no se ha implantado ni está operativo, pero consta de un láser que ioniza el uranio para que sea atraído por un sistema de imanes. Se ionizan con láser las moléculas de U²³⁵ de forma que con un imán se puedan separar del U²³⁸.

Difusión Gaseosa

El UF₆ atraviesa una membrana porosa, que previamente se ha comprimido. El isótopo U²³⁵ atraviesa la membrana con una velocidad superior que el pesado U²³⁸, lo que presenta un ligero aumento en la concentración. Si se repite la etapa muchas veces, se obtiene uranio enriquecido con la concentración deseada de U²³⁵.

Centrifugación

Es el proceso más asequible. El gas UF₆ se coloca en el interior de cilindros que giran a velocidad de rotación muy alta. Las moléculas de los dos isótopos (U²³⁵ y U²³⁸) se someten a fuerzas centrífugas proporcionales a su masa. Los 3 neutrones de diferencia dan la fuerza para girar a alta velocidad. El más pesado va a los laterales y el ligero al centro. Después de repeticiones, se permite su separación.

Reactores Nucleares: PWR y BWR

PWR (Pressure Water Reactor)

Es un reactor con mayor seguridad, ya que tiene 2 ciclos de refrigeración; no obstante, tiene menor rendimiento por este motivo. Se introduce el fluido en el núcleo del reactor mediante tubos (agua normal). El agua se encuentra a 200ºC, pero al estar a alta presión no se evapora. A continuación, y ya fuera del reactor, cede el calor al circuito secundario convirtiendo el fluido de este en vapor, el cual accionará la turbina y el alternador. Las barras de control se insertan desde la tapa. El flujo radioactivo no sale.

BWR (Boiling Water Reactor)

Tiene un único ciclo de refrigeración, lo cual aumenta su rendimiento, pero disminuye su seguridad. El fluido en el núcleo del reactor se evapora directamente en el reactor (en la parte superior de la vasija) y circula directamente a la turbina. Las barras de control se encuentran en la parte inferior de la vasija, donde se hallan sumergidas en agua, lo cual hace que, en presencia de altas temperaturas, el agua sí que entre en contacto con la radioactividad.

Energía Eólica: Offshore vs. Onshore

Onshore

Los emplazamientos están casi agotados debido a que es difícil encontrar zonas con las condiciones adecuadas y a una distancia prudente para reducir las pérdidas de energía en la conexión con la red eléctrica.

Offshore

Es difícil hallar emplazamientos a poca profundidad, cercanos a ciudades y con las condiciones de viento adecuadas. Además, su precio es mayor, a pesar de obtener mejores resultados que las onshore.

Factores que Contribuyen a la Velocidad del Viento

• Densidad del aire: a mayor altura, menor densidad.
• Altura: a mayor altura, mayor velocidad.

Turbinas Centrales Hidroeléctricas

Francis

El flujo entra perpendicular al giro y sale paralelo al eje de giro. Saltos entre 40 y 500 m.

Kaplan

Sus álabes son ajustables en función del caudal, saltos entre 10 y 100 m.

Pelton

El fluido entra perpendicularmente a las palas y sale de forma perpendicular también. Son útiles para caudales pequeños pero grandes saltos de altura.

El Hidrógeno como Fuente de Energía

El hidrógeno tiene elevado poder calorífico, es un combustible limpio, ya que solamente forma agua, y se puede usar tanto en combustión como en energía eléctrica. Sus problemas son que no se encuentra en la naturaleza, sino que debe formarse, y además es difícil de almacenar.

El proceso de formación de energía es: introducir el agua junto con energía eléctrica en un electrolizador que convertirá el agua en hidrógeno y oxígeno. Tras pasar la pila, se obtiene energía eléctrica y agua, la cual se recicla y vuelve al inicio. Debe tenerse en cuenta que la energía eléctrica requerida al principio debe proceder de energías renovables para tener impacto 0; si no, no tiene sentido usarla.

Inconvenientes del Uso de la Energía Solar

• Actualmente, la eficiencia máxima es aproximadamente del 20%.
• Es muy caro producir los módulos; se debe investigar e intentar utilizar materiales más baratos y duraderos.
• Se requieren 2 años de operación de la placa para recuperar la energía invertida en su construcción.
• Los materiales utilizados son tóxicos y su extracción conlleva un impacto.
• Se usan grandes superficies de terreno para aplicaciones a gran escala.

Diferencias entre Licuación y Gasificación del Carbono

Gasificación

Combustión incompleta del carbón con el fin de obtener gases más limpios (H₂, CO₂ y CO) y fáciles de tratar. Se debe suministrar H₂ para aumentar el poder calorífico y H₂O vapor para aumentar el ratio de H y disminuir el oxígeno. Se obtiene metanol, H₂ o biocombustibles con base metanol.

Licuación

Se basa en la formación de combustibles menos contaminantes que son mezclas de hidrocarburos.

• Indirecta: se obtienen productos menos contaminantes y de transporte más fácil. Inicialmente, se somete el carbón a un proceso catalizado para la obtención de hidrógeno. Luego, al proceso Fischer-Tropsch, mediante el cual, con catalizador de Fe a 200ºC y 20 atm, se obtienen gasolinas, gasóleo, que se separarán por destilación fraccionada. Por último, se eliminan los restos ácidos con carbonato de potasio.
• Directa: se craquean las mezclas para convertirlas en fracciones de menor peso molecular. Se piroliza calentando el carbón sin aire para la formación de hidrocarburos líquidos. Por otro lado, la hidrogenación, donde se hace la pirólisis y el cracking a 400ºC, rompiendo enlaces C-C y C-O.

Alternativas Energéticas ante la Escasez de Petróleo

En una hipotética situación de carencia absoluta de petróleo, se podrían considerar las siguientes alternativas para abastecer la demanda energética mundial:

• Energía eólica
• Hidrógeno
• Biomasa
• Energía nuclear
• Energía geotérmica
• Energía oceánica
• Energía solar

Ciclo de Refrigeración por Absorción

En sistemas activos a baja temperatura, se usan ciclos de refrigeración por absorción, donde se usan disoluciones de bromuro de litio. En estas disoluciones, el agua se evapora (estando el evaporador al vacío); seguidamente, condensa capturando el calor del exterior. El agua líquida es absorbida por LiBr.

Tipos de Energía Marina

Mareas (Mareomotriz – Gravitacional)

Cuanto mayor sea la altura de la marea, mejor será la instalación. Pocos puntos con energía suficiente (3 actualmente). Se producen por la interacción gravitatoria entre la Tierra/Luna y la Tierra/Sol; es un proceso cíclico con dos movimientos por día. A mayor variación, mejor será la energía generada. Tiene una eficiencia de un 20-35%.

Olas (Undimotriz)

Es la energía cinética de las olas (interacción entre el viento y grandes extensiones de agua) y corrientes marinas. Son creadas en un principio de forma caótica, pero a medida que se acercan a la costa (profundidad del mar igual a la longitud de onda de la ola), la longitud de onda se hace más pequeña, la velocidad se reduce y el perfil se hace más uniforme. La energía cinética de las olas puede convertirse en energía potencial creando rampas. Se instalan turbinas para aprovechar la energía o para generar presión. Entorno hostil. Las últimas investigaciones se centran en implementar el energy harvesting.

Gradiente Térmico Oceánico

Existe un cinturón de agua caliente envolviendo la tierra en un margen de +- 20º al norte y al sur del ecuador, con diferencias de hasta 25ºC entre la superficie y las profundidades a 100 m. No hay muchas zonas en el mundo habitables; debemos ir al centro oceánico (islas de la Polinesia) para producir energía eléctrica. Los recursos son inmensos pero difíciles de explotar porque: necesidad de colocar las instalaciones en alta mar (se buscan profundidades mayores) y dificultad de transportar la energía hasta tierra. Los archipiélagos del Pacífico presentan mínima viabilidad: los gradientes de temperatura son máximos; la instalación de pequeñas unidades en las diferentes islas sería suficiente para suplir la demanda. Actualmente, no hay ninguna instalación a gran escala.

El Fracking: Problemas y Ventajas

El fracking o fracturación hidráulica es una técnica para posibilitar/aumentar la extracción de gas/petróleo del subsuelo. Consta de la perforación de un tubo vertical de más de 2,5 km y luego horizontal. Se inyecta agua, arena (99,5%) y productos químicos (0,05%) a presión por este tubo para poder succionar el petróleo (los HC y productos químicos) presente en las capas más alejadas del subsuelo. Se inyecta esta mezcla, ya que si solo se inyectara agua, se perdería potencia mientras avanza. De esta manera, se combate la fricción.

El principal problema es que es un método invasivo y dañino para el medioambiente, ya que contamina grandes cantidades de agua (acuíferos). La principal ventaja es que no daña el paisaje visualmente.

Trigeneración: Diferencias con la Cogeneración

La trigeneración consiste en la generación de energía mediante 3 métodos diferentes a partir de 3 fuentes diferentes: energía térmica (aprovechando el calor residual para generar vapor de agua en un intercambiador, el cual se expandirá y moverá una turbina), energía eléctrica y energía frigorífica. Por el contrario, la cogeneración o ciclo combinado solo tiene en cuenta la energía térmica y la eléctrica.

Tecnologías de Uso del Carbón

Hay 4 tecnologías de uso de carbón:

1. Cámaras de combustión: hay dos tipos, las de lecho fluido y las de lecho fijo.
   • Lecho fluido: se deposita el carbón en la parrilla fija y se insufla un exceso de aire por el lecho de carbón desde la parte inferior a la parte superior.
   • Lecho fijo: en las cámaras de combustión de lecho fijo, se mezcla el carbón que se ha pulverizado finamente con aire. Esta operación se hace a T=cte (isoterma) para que haya un buen contacto entre el sólido y el gas. Se necesita poco exceso de aire.
2. Centrales térmicas: se introduce carbón con aire dentro del sistema. Se produce la combustión en una cámara de combustión dentro de una caldera industrial. Se obtiene energía; esta energía hace que aumente la temperatura del agua, que circula por un tubo en contacto con la cámara de expansión (intercambiador de calor). Se produce vapor, que va a la turbina y esta GENERA ELECTRICIDAD. Esto es un Ciclo Rankine. Los residuos de combustión se van por la chimenea.
3. Gasificación del carbón: se produce una combustión incompleta para poder obtener gases combustibles (CO, CO₂, H₂…). Ya que si se hace una combustión completa, no se obtienen gases combustibles. Se suministra H₂ para tener H/C = 0,6-0,8. Se proporciona vapor de agua para que disminuya el contenido de oxígeno y aumente el de hidrógeno. De esta manera, se puede obtener GAS DE SÍNTESIS. Se obtiene metanol, que también actúa como un combustible líquido.
   CO + H₂ → CH₃OH
   Obtención del gas de síntesis:
   CO + H₂O → CO₂ + H₂
   CO + H₂ → CH₄ + H₂O
   CO → C + O₂
4. Licuación del carbón: la licuación del carbón lo que hace es convertir el carbón en un combustible líquido menos contaminante; una mezcla de hidrocarburos. Hay dos tipos de licuación: indirecta y directa.
   • Licuación indirecta: gasifico el carbón para obtener hidrógeno
     CO + H₂O → CO₂ + H₂
     Realizo la síntesis de Fischer-Tropsch. Elimino los gases ácidos con K₂CO₃ o metanol. Obtengo HC como gasolina, fuel-oil, diésel… y los separo mediante destilación fraccionada.
   • Licuación directa: se realiza un cracking mediante pirólisis o hidrogenación.
     Cracking: descomposición de moléculas grandes de carbón en fracciones de peso molecular más pequeñas.
     Pirólisis: caliento el C en ausencia de aire, maximizando la producción de HC líquidos a temperatura elevada.
     Hidrogenación: se inicia con pirólisis y cracking a T=430-470ºC. Rompe los enlaces C-C, C-O formándose gases y líquidos.

Calderas Pirotubulares vs. Acuotubulares

• Pirotubulares: hay llama en el interior del hogar; los humos circulan por tubos hasta llegar a la chimenea. El hogar, los tubos y las salidas de humo están rodeados por agua.
• Acuotubulares: el agua circula por los tubos, que están en el interior del hogar. De esta forma, se genera directamente en los tubos el vapor, lo cual supone un aumento de coste y problemas de limpieza.

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