La seguridad en el funcionamiento de una central nucleoeléctrica

Debido a los severos percances sufridos por la Central nuclear de Fukushima, provocado por el tsunami que azotó Japón en marzo de 2011, una vez más la conveniencia de seguir o no utilizando la energía nuclear para fines pacíficos está en el centro del debate mundial.

El 11 de marzo del 2011 un sismo de proporciones terribles, 8,9 grados en la escala de Richter, azotó Japón y produjo un devastador tsunami que aumentó considerablemente el número de víctimas y personas desaparecidas por el temblor; y trajo además consigo graves daños a la infraestructura en viviendas, carreteras, comunicaciones, aeropuertos, así como a la Central nuclear de Fukushima. Aunado a este atroz acontecimiento el 26 de abril se cumplieron veinticinco años del peor accidente de la industria nuclear: Chernóbil. Este artículo es nuestra aportación al debate surgido de manera natural a nivel mundial acerca de los riesgos que entraña el uso de esta energía.

Para comenzar, es necesario plantear el gran estigma que pesa sobre ella, es decir, la primera manifestación de esta que conoció la humanidad fueron las detonaciones de las bombas atómicas en la Segunda Guerra Mundial, en Hiroshima y Nagasaki, justamente en el muy sufrido territorio de Japón. Esta situación ha hecho que el imaginario colectivo adopte la idea de que una central nuclear para generación de energía eléctrica es sinónimo de una bomba atómica. Los gobiernos de los países donde se tienen centrales nucleares para usos pacíficos tienen pendiente informar a la población cuáles son los alcances de una central nuclear, incluso poner en contexto la muy poco probable posibilidad de un accidente, así como sus consecuencias.

Existen en el mundo científicos muy serios que son detractores del uso de la energía nuclear, quienes se merecen todo nuestro respeto, sin embargo, muchos de los que opinan en contra de las centrales nucleares no tienen sustento técnico para hacerlo, con la energía nuclear siempre se argumentará su grave peligro para la humanidad, sin reconocerle ningún tipo de beneficio. Si realizáramos un ejercicio a nivel mundial de los últimos cincuenta años e hiciéramos una comparación de tres industrias: la petroquímica, la aviación y la nuclear para fines pacíficos, considerando los tres accidentes más graves de la industria nuclear, que son Tres Millas en Pensilvania, en los Estados Unidos, ocurrido en 1979; Chernóbil en la Unión Soviética, ocurrido en 1986; y ahora el más reciente ocurrido en la central de Fukushima en Japón, en 2011; los resultados quedarían a favor de la industria nuclear. Nuestro interés es exponer una serie de razones por las cuales se puede afirmar que la energía nuclear es segura y limpia. Respecto de los tres accidentes más graves de la industria nuclear debemos mencionar lo siguiente: Tres Millas ocurrió por un error humano y aun cuando el accidente fue de una gravedad extrema dado que el núcleo llegó a fundirse, lo que fue liberado de material radiactivo al medio ambiente fue casi imperceptible y no produjo ninguna víctima, además este accidente representa un parteaguas, ya que la industria nuclear reconoció que las centrales no eran infalibles y se produjo una transformación en varios aspectos torales de las plantas, en su diseño, en la formación de los operadores y en la planeación para respuesta a emergencias. Chernóbil igualmente se originó por errores humanos, pero sobre todo por realizar un experimento en línea, lo que derivó en el accidente que conocemos y que ha sido estudiado a profundidad.

Establecer que estos dos accidentes fueron resultado de errores humanos pretende poner en contexto que los procesos fallaron derivado de los errores humanos y en el caso específico de Chernóbil por pretender experimentar en línea y con los sistemas de emergencia inhabilitados.

Finalmente Fukushima es resultado del peor sismo y tsunami que se tenga registrado en los últimos cincuenta años, la naturaleza nos ha enseñado una y otra vez que la tecnología desplegada por el ser humano en muchos aspectos todavía no es capaz de contener las manifestaciones naturales de la energía.

En nuestro país se construyó en la década de los ochenta la Central Nucleoeléctrica Laguna Verde. Este complejo nucleoeléctrico consta de dos reactores del tipo BWR, reactores de agua en ebullición. Inició operación comercial su primera unidad en junio de 1990, la segunda arrancó en abril de 1995. La Central Laguna Verde ha operado con muy altos estándares de producción con una constante: la seguridad.

Vale la pena mencionar las diferentes etapas por los cuales pasa un complejo nucleoeléctrico antes de que inicie operación comercial: emplazamiento del sitio; diseño de la central con su defensa en profundidad y sus sistemas redundantes (sistemas con la misma función, pero adicionales e independientes); la construcción, que demanda personal altamente calificado, el cual deberá aplicar un estricto programa de calidad, así como los códigos más rigoristas en materia de ingeniería y construcción; y la etapa previa al arranque, conocida como Puesta en Servicio.

Hablaremos sobre los aspectos más importantes de cada una de ellas:

Respecto a su emplazamiento la Central Laguna Verde se construyó en Punta Limón, municipio de Alto Lucero, en el estado de Veracruz, obedeciendo a criterios muy puntuales sobre los sitios donde será construida una central nuclear: zona de baja actividad sísmica, agua abundante para los sistemas de enfriamiento de la central, suelo rocoso que soporte la construcción de edificios de gran volumen y peso, accesibilidad y cercanía a los grandes centros de consumo; todos y cada uno de estos requisitos se cumplieron cabalmente.

El diseño de una central nuclear tiene intrínseco un concepto que se conoce como Defensa en Profundidad, el cual requiere de una serie de barreras físicas, que van desde las propias pastillas de dióxido de uranio, pasando por su encamisado de zircaloy (p. 18, revista 26), la vasija del reactor, hasta la contención primaria y secundaria; el objetivo de estas barreras es evitar la movilidad del material radiactivo. Adicionalmente cuenta con redundancias en los sistemas de suministro de energía eléctrica, posee tres divisiones, lo que significa que si falla una, se ocupa la segunda, y si pasa lo mismo, se ocupa una tercera. Existen también generadores diesel para alimentar los sistemas de enfriamiento de emergencia, estos entran a plena carga en 13 segundos.

La etapa de construcción es compleja por la serie de requisitos que existen en el programa de calidad y en los códigos de ingeniería y de construcción, lo que demanda personal altamente calificado.

Concluida la construcción, se inicia la Puesta en Servicio, etapa en la cual se prueban todos y cada uno de los sistemas que conforman la central en forma individual e interactuando, el programa avanza según resultados satisfactorios.

En la operación comercial de una central nuclear existen cuatro aspectos de la mayor relevancia, que son el fundamento de una operación segura:

Seguridad nuclear, cuyo objetivo fundamental es vigilar la correcta operación y funcionamiento del sistema de suministro de vapor nuclear, todas sus acciones van encaminadas a evitar daños al combustible y a los internos de la vasija del reactor.

Seguridad radiológica vigila todas las zonas de la central susceptibles de estar contaminadas, permite el acceso al personal a zonas contaminadas determinando los tiempos máximos de permanencia, controla la dosimetría del personal que labora en la central, así como de sus visitantes, para en caso necesario adoptar las medidas correctivas. En seguridad radiológica se observa una filosofía denominada ALARA, por sus siglas en inglés, que significa “Tan Bajo Como Razonablemente Pueda Lograrse”, aquí se maneja la estrategia conocida como: Tiempo, Distancia y Blindaje, quiere decir que entre menos tiempo de exposición tengamos a la radiación, menor será la posibilidad de daño; la distancia es muy importante, debemos alejarnos lo más que se pueda de una fuente de radiación para evitar daños; y ciertos trabajos demandan la cercanía a la fuente de radiación, por lo que debemos usar un blindaje que nos permita realizar las actividades sin riesgo de irradiarnos.

Seguridad industrial es responsable de que todos los trabajadores utilicen la ropa y los accesorios necesarios para su protección, vigila las acciones de los grupos de mantenimiento, operación y contratistas, para evitar acciones que conduzcan a un accidente o incendio, cuida que las maniobras se hagan con equipo y personal calificado, supervisa al personal contratista en recargas de combustible para que cumpla con todos los requisitos para su protección.

Seguridad física, finalmente, de la cual podría pensarse que sus principales funciones son la vigilancia, el control de acceso y la brigada contra incendio, sin embargo, incluye otras de gran envergadura, como son vigilar y establecer controles para evitar la posibilidad de un acto de sabotaje o inclusive de terrorismo (esto último consideramos que en nuestro país no está presente).

Adicionalmente a estas acciones, de las cuales se tienen indicadores monitoreados diariamente y que permiten ciclos de mejora continua, se cuenta con un envolvente muy importante tanto para la central, como para los trabajadores y la población: el Plan de emergencia. La idea común es que este únicamente se utiliza para decidir cuántas personas evacuar, cuántos albergues se utilizarán o cuántas pastillas de iodo (o yodo) estable deberán administrarse, es correcto, el plan contempla todas estas acciones, pero algo más importante es que desde que se detecta alguna condición de operación anormal o de emergencia, la operación de la planta se opera y administra con procedimientos de operación de emergencia.

Hablaremos ahora de algunos mitos acerca de las centrales nucleares:

1. Un alto porcentaje de la población piensa que una central nuclear puede explotar como una bomba atómica, esto es falso, una bomba atómica necesita un combustible enriquecido o dicho de otra forma de una pureza de entre el 90 y 95%, en una central nuclear el enriquecimiento o la pureza del combustible no rebasa el 10%.

2. Se ha dicho que un accidente en la Central Nucleoeléctrica Laguna Verde afectaría varios estados de la república, incluso al Distrito Federal, falso también, los modelos de dispersión atmosférica con que se cuenta indican que la nube radiactiva no rebasaría los 16 kilómetros alrededor de la central, sin embargo, debemos reconocer que la severidad del accidente y la meteorología del momento juegan un papel decisivo, es decir, cuanto se daño el combustible nuclear, la dirección y velocidad del viento, la altura de la capa de mezcla son factores que pudieran llevar el material radiactivo más allá de los 16 kilómetros, pero existe otro factor por considerar: lo dañino de la radiación es cuando se tiene material radiactivo en altas concentraciones, pues da como resultado altas dosis, cuando sobre este material inciden agentes como el viento o la lluvia empieza una dispersión que da como resultado que las dosis disminuyan o se diluyan de manera drástica.

3. También se piensa que Laguna Verde frecuentemente realiza emisiones de material radiactivo líquido o gaseoso al medio ambiente, falso, en el proceso de generación se utiliza agua químicamente pura la cual absorbe el calor generado por la fisión nuclear y se transforma en vapor, este vapor a presión mueve las turbinas y el generador para producir energía eléctrica, después ese vapor se condensa en agua, este es un circuito cerrado que se conoce como ciclo termodinámico. Se utiliza agua de mar para el enfriamiento de la turbina, pero esta agua en ningún momento hace contacto con material radiactivo, por lo que después de cumplir su función es descargada al sur de la central, en la Laguna Salada, para su posterior reincorporación al Golfo de México.

Creemos que la mejor conclusión es a la que lleguen ustedes queridos lectores, nuestra intención fue fundamentalmente explicar ciertos aspectos y controles de la operación de una central nuclear, los cuales la hacen segura y confiable.

¿Cómo funciona una central generadora nucleoeléctrica?

El ser humano siempre ha mantenido una relación estrecha con la energía. Desde su primer contacto con el fuego se dio cuenta de sus múltiples aplicaciones y, por lo tanto, de su valor. Por ello siempre ha tratado no sólo de conservar la energía, sino también de manejarla y obtenerla de distintas fuentes. Por ejemplo, actualmente obtenemos energía del sol, de combustible fósiles, del viento o de reacciones nucleares. Muchas son las ideas que rondan el tema, pero en esta ocasión vamos a mostrarte cómo funciona en realidad la energía nuclear.

La evolución de la humanidad ha estado ligada a la utilización de la energía en sus distintas formas. Sin lugar a dudas, el descubrimiento del fuego, su producción y control marcan un acontecimiento importante en la historia de la sociedad. Cada vez que el hombre descubre una nueva fuente de energía o crea un procedimiento distinto para obtenerla, produce grandes avances tecnológicos y sociales.

Por mencionar algunos recordemos que el aprovechamiento de la fuerza de tracción de los animales permitió el desarrollo de la agricultura y, como consecuencia, algunos pueblos se volvieron sedentarios; la utilización de la energía del viento dio un fuerte impulso a la navegación, al comercio y al intercambio de ideas y conocimientos entre los pueblos de la antigüedad. Gracias a la invención de la máquina de vapor los métodos de producción artesanal pasaron a ser masivos, lo que desembocó en la Revolución Industrial a fines del siglo XVIII y principios del siglo XIX. En el siglo XX dimos un gran salto en este campo gracias a los avances en la física nuclear.

Para producir energía eléctrica basta con mover una serie de espiras de cobre (bobina) en el seno de un campo magnético inducido por un imán. En las terminales de la bobina se generará un voltaje. Al conjunto formado por el campo magnético y la bobina se lo denomina generador, es una máquina que transforma la energía mecánica utilizada para mover la bobina en energía eléctrica. La electricidad no es más que energía mecánica transformada.

Siguiendo este principio, el hombre ha podido obtener gran parte de la electricidad que requiere empleando diferentes medios de generación, una idea común es que cuando decimos nucleoeléctrica obtenemos la energía del uranio, y en realidad es el agente que produce el vapor para mover el conjunto generador.

Existen varios tipos de centrales generadoras de energía eléctrica, entre ellas podemos mencionar: termoeléctricas, de turbogas, de ciclo combinado, de diesel, carboeléctricas, geotermoeléctricas, eólicas, solares y nucleoléctricas.

Central generadora de ciclo combinado

Central genaradora carboeléctrica

Central generadora hidroeléctrica

Toda la materia del universo está formada por moléculas que, a su vez, están constituidas por átomos, pequeñísimas unidades que durante mucho tiempo se consideraron indivisibles. En la actualidad sabemos que los átomos están constituidos por protones y neutrones en el núcleo, y electrones que giran alrededor de éste. El protón y neutrón tienen prácticamente la misma masa, pero se diferencian en que el primero posee una carga eléctricamente positiva y el segundo carece de carga. Protones y neutrones fuertemente unidos entre sí integran lo que se denomina núcleo del átomo, cuya masa es casi igual a la suma de las masas de los protones y neutrones que lo componen. La carga eléctrica total del núcleo es positiva y es igual a la suma de las cargas de sus protones.

Los experimentos sobre la radioactividad (propiedad de emitir radiaciones) de ciertos elementos como el uranio, el polonio y el radio, llevados a cabo a fines del siglo XIX por Henri Becquerel, Pierre y Marie Curie, condujeron en 1902 al descubrimiento del fenómeno de la conversión de un átomo en otro diferente a partir de una desintegración espontánea que ocurría con gran desprendimiento de energía.

Poco después, en 1905, los estudios de Einstein explicaron que dicho desprendimiento de energía era el resultado de la transformación de pequeñísimas cantidades de masa de acuerdo con la equivalencia E=mc². Ambos hechos condujeron a la conclusión de que si se lograba desintegrar a voluntad los átomos de algunos elementos, seguramente se podría obtener cantidades fabulosas de energía.

Una central nucleoeléctrica es una instalación industrial donde se transforma la energía contenida en los núcleos de los átomos en energía eléctrica utilizable. Mientras que en una termoeléctrica el calor se obtiene quemando combustibles fósiles o en una geotérmica, extrayendo vapor natural del subsuelo, en una nucleoeléctrica el calor se obtiene a partir de la fisión nuclear en un reactor.

Mediante el bombardeo con neutrones a los núcleos de los átomos de uranio 235 (U235) se consigue que los núcleos capturen al neutrón y se fisionen (dividan) posteriormente en dos fragmentos; la fisión de cada uno de estos núcleos tiene como resultado un gran desprendimiento de energía calorífica y la liberación de dos o tres nuevos neutrones, que se aprovechan para fisionar otros núcleos similares, a esto se le llama reacción en cadena.

En los reactores de Agua Hirviente (que es uno de muchos tipos que hay) el calor producido por la reacción es utilizado para hervir agua de alta pureza en el interior de un reactor, el vapor que surge es utilizado para hacer girar una turbina acoplada al generador, el cual producirá la electricidad.

Un reactor nuclear consta de los siguientes elementos esenciales: combustible, moderador, refrigerante y material de control. El combustible que se utiliza es uranio 235 (U₂₃₅) en forma de dióxido de uranio (UO₂), con éste se fabrican pequeñas pastillas cilíndricas que se encapsulan en un tubo hermético de aleaciones especiales de circonio (zircaloy), su función es contener los productos de la fisión, además de proteger las pastillas de la corrosión y erosión del fluido refrigerante.

El papel de moderador y refrigerante está a cargo del agua de alta pureza que mantiene inundado el núcleo del reactor. Lo que requiere moderarse es la velocidad de los neutrones producto de la fisión (del orden de 20 000 km/s) mediante choques elásticos para conseguir que éstos estén en condiciones de producir nuevas fisiones (velocidad del orden de 2 km/s) y establecer una reacción en cadena cuya intensidad determinará la cantidad de calor generado en el reactor, dicho calor será evacuado por el agua de alta pureza, por ello también funciona como refrigerante.

El material de control está representado por el carburo de boro contenido en las 109 barras cruciformes de control, el boro tiene la propiedad de atrapar neutrones, lo que lo hace apto para cumplir esta función tan importante en la operación segura del reactor, además son parte activa de un sistema de seguridad que se anticipa a cualquier anormalidad en los parámetros más importantes del reactor deteniendo de inmediato la reacción en cadena.

Los distintos combustibles, moderadores, refrigerantes y materiales de control, que pueden ser utilizados y combinados de diferente manera, han permitido el desarrollo de muchos tipos de reactores, por ejemplo: de agua ligera a presión (PWR, por sus siglas en inglés), de agua pesada a presión (PHWR o CANDU), enfriados por bióxido de carbono y moderados por grafito (GCR), rápidos de cría enfriados por sodio (LMFBR), etcétera.

Entre las ventajas que presentan las centrales nucleoeléctricas encontramos:

1. Genera grandes cantidades de energía con pequeñas cantidades de combustible: 1 pastilla equivale a 808 kg de carbón, 4 barriles de petróleo ó 481 m3 de gas.
2. Cuesta casi lo mismo que el carbón, por lo tanto no es costosa
3. La energía nuclear es segura y confiable
4. No produce humo o dióxido de carbono, por lo que no contribuye a aumentar el efecto invernadero
5. Produce pequeñas cantidades de desperdicios
6. No produce lluvia ácida.

Ver también: La energía nuclear

También existen algunas desventajas:

1. En México todavía no producimos uranio enriquecido
2. Manejar energía nuclear siempre conlleva un riesgo, por lo que se requiere gran inversión en el área de seguridad
3. Hay que ser cuidadosos con el manejo de desperdicios nucleares. Deben ser enterrados y sellados durante varios años para permitir que la radioactividad disminuya

Partes de un reactor nuclear

Para ilustrar todo lo anterior veamos el ejemplo de la única planta nuclear existente en México, Laguna Verde:

La Central Nucleoeléctrica de Laguna Verde se encuentra en la costa del Golfo de México en el km. 42.5 de la carretera federal Cardel-Nautla en el municipio de Alto Lucero, en el estado de Veracruz. Geográficamente se halla a 60 km al noroeste de la ciudad de Xalapa, a 70 km al noroeste del Puerto de Veracruz y a 290 km al Noroeste de la Ciudad de México.

Está conformada por dos unidades, cada una con capacidad de 682.44 MWe; los reactores son tipo Agua Hirviente (BWR-5) y la contención MARK II de ciclo directo. El sistema nuclear de suministro de vapor fue provisto por la General Electric Co., y el turbogenerador por la Mitsubishi Heavy Industries.

La vasija del reactor (1) es un recipiente que trabaja a presión y está construido de acero al carbón con un recubrimiento interno de acero inoxidable, tiene una altura aproximada de 21 m y un diámetro de 5.3 m, su espesor varía de 13 a 18 cm. Dentro de ésta se encuentra el núcleo (2),compuesto de 444 ensambles de combustible, cada uno consta de un arreglo de varillas que contienen pastillas de dióxido de uranio enriquecido aproximadamente hasta el 4.9% con uranio 235. Las pastillas tienen un tratamiento especial para soportar altas presiones y temperaturas, y las varillas que las contienen se fabrican de una aleación especial de zirconio conocida como zircaloy, con un punto de fusión cercano a los 2000 0C. Dentro de las varillas se produce la fisión nuclear en cadena, que libera calor, la regulación de las fisiones estará a cargo de las barras de control (3) y el sistema de recirculación del reactor (7). El calor se utiliza para calentar agua y convertirla en vapor, el cual se dirige por las tuberías a la turbina de alta presión (8) y después a las de baja presión (9).

Debido al proceso de expansión de que sufre el vapor al llegar a la turbina se tiene como resultado vapor a alta velocidad, que impulsa a los álabes de las turbinas, con lo que se obtiene la energía mecánica para mover el generador eléctrico (10). La electricidad generada pasa a través de un transformador (15) para ser enviada a la red eléctrica nacional (16).

Después de mover las turbinas, el vapor se dirige al condensador (12), donde regresa a su estado líquido al ceder su calor al agua de mar tomada del Golfo de México (13) usada como refrigerante. Esta agua regresa al mar (obra de descarga, 14) a través de un canal abierto de 1680 m de longitud para disipar el calor. El líquido producto de la condensación del vapor es enviado mediante bombas (11) al reactor.

Es condición obligada que el personal sea calificado y que la operación esté sujeta a una estrecha supervisión a cargo de algún organismo independiente que vigile continuamente el cumplimiento estricto de las normas vigentes, en el caso de México el organismo regulador es la Comisión Nacional de Seguridad Nuclear y Salvaguardias (CNSNS), que depende de la Secretaría de Energía.

Laguna Verde cuenta con sistemas para garantizar la operabilidad de la planta sin que haya repercusiones negativas en el exterior.

Los sistemas de seguridad de la planta están conformados por diferentes barreras: contenedor primario (de forma cilíndrico-cónico, tiene 1.5 m de espesor y está hecho de acero y concreto, tiene 10 capas de varilla de 2 ¼" de diámetro, y está provisto de un forro de interior de acero de 1 cm de espesor), contenedor secundario (rodea al primario y es conocido como edificio del reactor, está construido de concreto y varillas de acero, tiene paredes de 60 cm de espesor del nivel del suelo hacia arriba y 120 cm en la parte subterránea, la presión en el interior siempre es menor que la atmosférica gracias al sistema de ventilación y aire acondicionado de la instalación), vasija del reactor y varillas de zircaloy; por los sistemas de enfriamiento; los sistemas de protección y control del reactor; la vigilancia de la radiación y los sistemas de control de residuos radiactivos.

La energía nuclear

Hemos visto que existen diferentes formas de producir la energía eléctrica que utilizamos en nuestras instalaciones eléctricas residenciales, entre ellas se encuentra la de hacerlo a partir de energía nuclear. En esta ocasión profundizaremos en el tema para conocer más sobre este fenómeno físico que el hombre ha utilizado en su beneficio y que ha sido tan polémico a lo largo de su historia.

Se defina a la energía nuclear como aquella que se obtiene de las reacciones a nivel nuclear de ciertos elementos químicos. Aquéllas pueden ser espontáneas o provocadas. El elemento más conocido es el uranio, sin embargo, existen otros como el torio, plutonio, estroncio y polonio. Esta energía se produce de dos maneras: por el proceso de fusión o el de fisión.

Antes de describir estos procesos, recordemos algo de historia. Desde los antiguos griegos ya indicaban la existencia de partículas fundamentales, que actuaban como elementos constituyentes de la materia, prediciendo la existencia de unos átomos de diminuto tamaño y de diferentes tipos.
A finales del siglo XIX no se habían encontrado más datos sobre estos elementos, hasta que sir Joseph John Thomson (científico británico, 18 de diciembre de 1856 - 30 de agosto de 1940. Premio Nobel de Física de 1906), junto a otros investigadores, halló en 1897 que los átomos no eran indivisibles como se creía, sino que podían ser separados en componentes más pequeños.

Sir Joseph John Thomson (Mánchester, Inglaterra, 18 de diciembre de 1856 - Cambridge, Inglaterra, 30 de agosto de 1940)

Asimismo, descubrió su composición y la existencia de unas partículas que orbitaban en la zona exterior denominadas electrones, cuya masa era mucho menor que la del núcleo; éste, por su parte, tenía carga positiva y su peso suponía casi la totalidad del átomo en conjunto. A pesar de que no fue capaz de determinar la composición del núcleo, quedaron sentadas las bases para posteriores investigaciones, las primeras de las cuales se centraron en la estructura del átomo.

El físico y químico británico Ernest Rutherford (30 de agosto de 1871 - 19 de octubre de 1937, se le considera el padre de la Física nuclear) desarrolló en 1911 un modelo basado en un sistema solar en miniatura, en el que el núcleo era una estrella (un sol) y los electrones los planetas. La explicación de su teoría tenía, sin embargo, dos errores: que los electrones emitirían energía al girar, disminuyendo su velocidad y cayendo al núcleo; erróneo porque los electrones ocupan órbitas fijas. Otro error consistía en que los electrones podían saltar de una órbita a otra cualquiera alrededor del núcleo, no obstante, se comprobó que sólo podían ocupar determinadas órbitas siempre iguales.

Lord Ernest Rutherford (Brightwater, Nueva Zelanda, 30 de agosto de 1871-Cambridge, Reino Unido, 19 de octubre de 1937)

Ver también: La energía termonuclear (parte 1)

En 1913 Niels Bohr enunció una nueva teoría atómica para solucionar los fallos de la de Rutherford; consistía en un sistema con un pequeño núcleo alrededor del cual giraban los electrones, pero con órbitas que obedecían a ciertas reglas restrictivas. Según ésas, sólo podría existir un número determinado de órbitas y cada una tendría un nivel de energía, por tanto el electrón que ocupase una órbita concreta poseería la energía correspondiente a ella. De igual manera, no podría saltar de una salvo recibiendo una energía adicional igual a la diferencia entre ambas órbitas; si un electrón cambiara de una órbita de energía superior a otra inferior, emitiría igual cantidad de energía en forma de onda electromagnética, que sería de espectro fijo para los mismos tipos de átomos. A pesar de los adelantos en las explicaciones sobre la estructura de la materia, también contenía errores, aunque hoy es aceptada en líneas generales. Los electrones deberían emitir energía al girar alrededor del núcleo, lo que invalidaba que las órbitas fueran de energía constante.

Niels Henrik David Bohr (Copenhague, 7 de octubre de 1885 - Valby, Copenhague, 18 de noviembre de 1962)

La teoría de la mecánica cuántica solucionó estas interrogantes mediante la enunciación del principio de la dualidad onda-partícula, por la cual toda partícula puede comportarse igualmente como una onda.

Después de establecerse el sistema de las órbitas electrónicas, el interés se centró en determinar la estructura del núcleo. En estado normal, un átomo no posee carga eléctrica, sin embargo, se observó que la carga del núcleo era positiva y siempre múltiplo de la carga del electrón; de esta manera, se concluyó que el núcleo estaba compuesto por un conjunto de partículas, cada una de ellas con igual carga que la del electrón, pero positiva. Esas partículas fueron denominadas protones. Según este planteamiento, los átomos tienen el mismo número de electrones que de protones para poder mantener una carga neutra, es decir, cargas negativas en los electrones iguales a cargas positivas en los protones. El hidrógeno posee un electrón en su órbita, por ello posee igualmente un protón en su núcleo; se dedujo así que el peso del protón era aproximadamente dos mil veces superior al del electrón. Sin embargo, esta medida no corresponde con la de otros elementos atómicos. La incógnita de las masas quedó despejada en 1932 cuando James Chadwick, de la Universidad de Cambridge, descubrió un nuevo elemento en el núcleo cuando estudiaba las colisiones entre partículas a alta velocidad, al que se le denominó neutrón. Quedó así definitivamente determinada la estructura del átomo.

James Chadwick (20 de octubre de 1891 – 24 de julio de 1974)

El paso entre la determinación de la estructura de la materia y la teoría para la obtención de la energía nuclear por fisión lo dio Albert Einstein. Los experimentos sobre esta teoría demostraron que al bombardear un átomo pesado con otra partícula, las diversas partes en que se separaba tenían en conjunto masas menores que la del núcleo original lo que se libera por una cantidad de energía. Al
aplicar la fórmula de Einstein sobre la diferencia de masas se observaba que los resultados eran coincidentes con los de la energía liberada.

 Alberth Einstein (Ulm, Imperio alemán, 14 de marzo de 1879-Princeton, Estados Unidos, 18 de abril de 1955)

Con el éxito en la ejecución de la teoría de Einstein se había encontrado una fuente de energía de enormes posibilidades, sin embargo, aún era inviable, el motivo era que experimentalmente, siempre se consumía mayor energía que la que se producía. Estas limitaciones fueron superadas en 1939, cuando Lise Meitner y Otto Hahn descubrieron la facilidad con que podía ser partido el núcleo del uranio mediante un neutrón, el cual producía, además, otros tres neutrones que podían dividir a su vez otros núcleos, acelerando la propia radiactividad natural del uranio.

Otto Hahn (Fráncfort del Meno, Reino de Prusia, 8 de marzo de 1879 - Gotinga, Alemania Occidental, 28 de julio de 1968) y Lise Meitner (Viena, 7 de noviembre de 1878 - Cambridge, 27 de octubre de 1968)

Superadas las limitaciones para generar energía nuclear aprovechable, en 1942 comenzó a funcionar en la Universidad de Chicago el primer prototipo de reactor nuclear, construido por Enrico Fermi. A finales de 1950 comenzó la utilización práctica de esta energía para producir electricidad con las primeras centrales nucleares.

Enrico Fermi (Roma, 29 de septiembre de 1901-Chicago, 28 de noviembre de 1954)

La fusión nuclear es una reacción que tiene lugar por la rotura de un núcleo pesado al ser bombardeado por neutrones de cierta velocidad. A raíz de esta división, el núcleo se separa en dos fragmentos acompañado de una emisión de radiación, libera de dos ó tres nuevos neutrones y una gran cantidad de energía que se transforma finalmente en calor. Los neutrones que escapan de la fisión, al bajar su energía cinética, se encuentran en condiciones de fisionar otros núcleos pesados y surge una reacción nuclear en cadena.

Cabe señalar que los núcleos atómicos utilizados son de Uranio-235. El proceso de fisión permite el funcionamiento de los reactores nucleares que actualmente operan en el mundo.

La fusión nuclear ocurre cuando dos núcleos atómicos muy livianos se unen y forman un núcleo atómico más pesado con mayor estabilidad. Estas reacciones liberan energías tan elevadas que, en la actualidad, se estudian formas adecuadas para mantener la estabilidad y confinamiento de las reacciones.

La energía necesaria para lograr la unión de los núcleos se puede obtener utilizando energía térmica o bien utilizando aceleradores de partículas. Ambos métodos buscan que la velocidad de las partículas aumente para, así, vencer las fuerzas de repulsión electrostáticas generadas al momento de la colisión necesaria para la fusión.

Para obtener núcleos de átomos aislados, es decir, separados de su envoltura de electrones, se utilizan gases sobrecalentados que constituyen el denominado plasma físico. Este proceso es propio del Sol y las estrellas, pues se trata de gigantescas estructuras de mezclas de gases calientes atrapadas por las fuerzas de gravedad estelar.

Central nucleoeléctrica Laguna Verde

La Comisión Federal de Electricidad (CFE) inició en agosto de 1966 una investigación para determinar el lugar óptimo para la construcción de una central nucleoeléctrica.
Posteriormente, dada la importancia de los factores sísmicos, se integraron en esta tarea el Instituto de Geofísica y el Instituto de Ingeniería de la Universidad NacionalAutónoma de México y consultores internacionales expertos, algunos de ellos del Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA).
Para seleccionar el sitio adecuado se tomaron en cuenta criterios generales para localizar las centrales convencionales, con la salvedad de que este lugar no se ve afectado por la cercanía de fuentes de combustibles fósiles (petróleo y gas natural).
También se consideraron los criterios específicos de las centrales nucleares, que entre otros, incluyen el peso y volumen de los elementos que conforman la central, y una serie de normas técnicas de seguridad nuclear, vigentes en Estados Unidos.
Estos fueron los criterios básicos que condujeron a la localización del sitio adecuado:

1. La relativa cercanía a los centros de consumo.
2. La disponibilidad de agua para enfriamiento.
3. La estabilidad sísmica del lugar.
4. Un tipo de suelo preferentemente rocoso para la cimentación de la construcción.

Finalmente, después de esta minuciosa tarea de selección, se comenzó el primer colado de concreto para cimentar la obra en octubre de 1976.

En las plantas de energía nuclear, el reactor calienta agua y la convierte en vapor, que mueve turbinas y generadores para producir electricidad. El vapor ya expandido es convertido de nuevo en agua mediante un condensador, usando agua fría procedente de una fuente de enfriamiento (lago, río, mar, torre de refrigeración). El agua convertida se hace pasar de nuevo mediante una bomba por la parte caliente del reactor.

Esta central nucleoeléctrica produce la energía eléctrica basada en el principio de la fisión nuclear, utilizando como combustible dióxido de uranio enriquecido.

Ver también: ¿Cómo funciona una central atómica?

La reacción de fisión se produce bombardeando los núcleos atómicos del uranio con partículas pequeñísimas (neutrones), esta operación genera una gran cantidad de calor.

El calor hace que el agua que se encuentra en la vasija del reactor se convierta en vapor, que a su vez hace girar una turbina. El movimiento de la turbina acciona entonces el generador que produce la electricidad.
La Central está integrada por dos unidades, cada una con capacidad de 682.44 Mwe; los reactores son tipo Agua Hirviente (BWR-5) y la contención tipo MARK II de ciclo directo. El sistema nuclear de suministro de vapor (NSSS) fue adquirido a General Electric Co. y el turbogenerador a Mitsubishi Heavy Industries.

Con la certificación del organismo regulador mexicano, la Comisión Nacional de Seguridad Nuclear y Salvaguardas (CNSNS), la Secretaría de Energía otorgó las licencias para Operación Comercial a la unidad 1 el 29 de julio de 1990 y a la unidad 2 al 10 de abril de 1995. Ambas unidades aportan aproximadamente el 5% de la energía generada en el sistema eléctrico nacional.

Cada unidad consta de seis edificios principales mas los secundarios. Los edificios principales son:

1. Del reactor
2. Del generador
3. De control
4. De los generadores de diesel
5. De tratamiento de residuos radioactivos
6. De la planta de tratamiento de agua
7. Del sistema integral de información de proceso

Los secundarios son:

1. Obra de toma de agua de enfriamiento para el condensador y los componentes nucleares
2. Subestación eléctrica
3. Tecno-administrativo
4. De almacenamiento de partes de repuesto.

La Central Nucleoeléctrica de Laguna Verde está localizada en la costa del Golfo de México en el Km. 42.5 de la carretera federal Cardel–Nautla, municipio de Alto Lucero, en el Estado de Veracruz. Geográficamente se encuentra a 60 Km. al Noreste de la ciudad de Xalapa y 70 Km. al Noreste de la ciudad de México.

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