REACTOR DE AGUA A PRESION

El reactor nuclear mas utilizado en todo el mundo es el RECTOR DE AGUA A PRESION (PWR). Se le conoce como sistema de circuito doble porque emplea dos circuitos de agua.
El circuito primario bombea el agua calentada en el reactor, a través de serpentín del intercambiador de calor donde cede calor al circuito secundario. El agua del circuito primario sigue liquida a unos 320ºC, ya que se encuentra a una presión de unas 150 atmósferas.
En el circuito secundario el agua se evapora en el intercambiador de calor y el vapor a presión pasa a la turbina, donde hace girar las aspas solidarias al eje del alternador produciendo electricidad.
El vapor se enfría con el agua tomada de otra fuente fría. Se condensa y se bombea de nuevo al intercambiador de calor, y se cierra el ciclo.
La electricidad producida por los generadores se lleva a un transformador y el se encarga de transportar la energía eléctrica hasta las subestaciones de una ciudad.
El núcleo del reactor (barras de combustible) esta rodeado de un elemento refrigerante, que es el encargado de extraer calor del núcleo y transportarlo al grupo alternador.
El conducto por el que circula el refrigerante se llama circuito primario. Y el refrigerante puede ser liquido, como el agua, sodio, litio o potasio, o también puede ser gaseoso, como el dióxido de carbono.

ENERGIA NUCLEAR

DEFINICION:
Energía obtenida del núcleo de los átomos. Hay dos formas de obtenerla: Por el método de fisión (división) o por el método de fusión (unión).
La física nuclear comienza con el descubrimiento de la radiactividad por Henri Becquerel en 1896.

FISICA NUCLEAR. Conceptos básicos.
Hay que designar una unidad de medida, ya que el gramo es una unidad grande. Se establece la uma (unidad de masa atómica), que al principio se estableció como la masa del átomo de hidrogeno, pero al final se definió como una doceava parte de la masa de un átomo de carbono 12.
Como la uma es muy pequeña, en los laboratorios y en la industria se utilizan múltiplos. Mol: cantidad de materia que contiene el nº de Avogadro(6.022•10(23)) entidades elementales.
El átomo esta constituido por núcleo, donde se encuentran los protones(+) y neutrones, y la corteza donde orbitan los electrones(-).

Isótopos: Elementos con el mismo nº atómico pero diferente número másico. Diferente nº de neutrones. Por tanto, la masa atómica de un elemento es el promedio de la masa de los isótopos que lo contienen.

Ley de conservación de la masa-energía: “En toda reacción química la suma de la masa de la materia y la energía que intervienen en ella es una cantidad constante.”

Defecto de masa: Masa transformada en energía durante una reacción de acuerdo con la ecuación de Einstein: E = m • c(2)

RADIACTIVIDAD
Algunos isótopos tienen la capacidad de emitir partículas, debido a su inestabilidad nuclear. El núcleo se transforma en el de otro elemento. Al fenómeno de la emisión espontánea de estas partículas se le conoce como radiactividad natural.
El descubrimiento de Henri Becquerel fue por casualidad (serendipia).
Las partículas emitidas son las α, β y γ.
Las partículas alpha tienen masa y carga eléctrica positiva. Son absorbidas por una hoja de papel o por la piel humana. Las partículas beta son partículas con muy poca masa y carga eléctrica negativa. Tienen mayor capacidad de penetración que las alpha, ya que son absorbidas por una lamina de metal, o por unos cuantos cms. de madera. Y las partículas gamma son la más peligrosas. No tienen ni masa ni carga (neutras) y solo son absorbidas por una lamina gruesa de plomo o por cemento.
RADIACTIVIDAD ARTIFICIAL
Son transformaciones que tienen lugar cuando son bombardeados los núcleos atómicos con diversas partículas. La primera transmutación art. por Rutherford.

ENERGIA DE ENLACE
Es la energía que mantiene unidos a los nucleones (protones y neutrones). Es el defecto de masa en una reacción. Energía liberada.
Δm = (Z • mH + (A-Z) mN) – M
mH: masa del protón mN: masa del neutrón

FISION
Obtención de dos átomos ligeros y energía al bombardear con neutrones un átomo pesado, como por ejemplo el U-235.
La fisión de un átomo de U-235 produce un promedio de 208 MeV. Así que la fisión de 1gr de U-235 producirá una energía aproximada de 8.52•10(10) J.

Materia fisionable:
El único isótopo fisionable por neutrones térmicos que existe en la naturaleza es el U-235. Se encuentra en una proporción del 0’71% en el uranio natural.
Hay otros isótopos fisionables, que no existen en la naturaleza, pero que pueden obtenerse fácilmente de forma artificial:
- U-233: Se obtiene por la captura de un neutrón por un nucleo de Th-232.
- Pu-239: Se forma por la captura de un neutrón intermedio o rápido por un nucleo de U-238.
- Pu-241: Se forma por la captura de un neutrón en el Pu-240, que procede de la captura de un neutrón por un nucleo de Pu-239.
Los núcleos que como el Th-232 y el U-238 dan origen a productos fisionables, se conocen como material fértil.

CENTRAL NUCLEAR
Se basa en una reacción de fisión, pero se tiene que producir una reacción en cadena controlada.
Para que se produzca y se mantenga esa reacción de fisión nuclear será necesaria una masa minima de material fisionable. Esta masa minima se conoce como masa critica.
En la bomba atómica (Bomba A) no es una reacción controlada. En este caso, el enriquecimiento del U-235 es del 90% y una masa mayor.
Para que transcurra la reacción en cadena, el nº de neutrones producidos en un determinado intervalo de tiempo ha de ser mayor que la suma de los absorbidos y los perdidos en ese mismo intervalo.

El principio de funcionamiento de una central nuclear es el mismo que el de otras centrales, como las de carbón o gas: la conversión de la energía contenida en un combustible en energía eléctrica.
Las centrales nucleares tienen una caldera llamada reactor nuclear, que no tiene sistemas de inyección continua de combustible y aire ni en él se necesita un sistema de eliminación de residuos.
Reactor: En él, el U natural se coloca en los reactores en forma de uranio metálico dispuesto en barras o tubos. El reactor consta de un moderador, que hace posible la reacción frenando los neutrones, para que sean más fáciles de absorber por el uranio, sin absorberlos. Los moderadores mas utilizados son el grafito, el agua normal, el agua pesada y algunos líquidos orgánicos.
Las centrales nucleares también tienen una serie de dispositivos de seguridad destinados a mantener bajo control la reacción de fisión en cadena y evitar la salida de radiaciones al exterior en caso de accidente.
Uno de esos dispositivos son las barras de control, unas varillas para absorber neutrones, y frenan la reacción.
Un segundo dispositivo son las barras de parada, para absorber neutrones. Se utilizan para parar la reacción en cadena.
Finalmente, hay unas barreras estancas para aislar al combustible de la reacción.

Producción de energía mecánica:
El vapor producido en el reactor nuclear se canaliza hacia la turbina donde hace girar sus palas. Así, se crea una energía mecánica de rotación.
En esta transformación, no se aprovecha toda la energía, ya que por las leyes de termodinámica, el rendimiento es de un 33% aprox.

Producción de energía eléctrica:
El giro de la turbina provocado por el vapor, se transmite a un alternador, que consiste en un conductor eléctrico que gira dentro de un campo magnético, produciendo electricidad.
La energía eléctrica producida pasa al parque de transformadores desde el que se canaliza a las redes de distribución.

TIPOS DE CENTRALES NUCLEARES
Pueden ser de varios tipos según las características de los elementos que constituyen su núcleo.
Los tres tipos mas extendidos son:
- De uranio natural como combustible, grafito como moderador y gas carbónico como fluido refrigerante.
- De uranio enriquecido como combustible y agua ordinaria en ebullición como moderador y refrigerante. Se llaman centrales de agua en ebullición.
- De uranio enriquecido como combustible y agua a presión como moderador y refrigerante.

EBERGIA GEOTERMICA

ENERGIA GEOTERMICA

Los recursos geotérmicos constituyen la parte de la energia geotermica o calor interno de la tierra que puede ser aprovechada por el hombre.
Se clasifican en dos tipos:
- Geotermia de baja y media temperatura. Esta no alcanza los 150ºC. Es poco rentable para la producción de electricidad. Pero si lo es para calefacciones y refrigeración de viviendas.
- Geotermia de alta temperatura: Llega hasta los 500ºC.
Aprovechamiento: Las de alta temperatura producen electricidad mediante un ciclo termodinamico. Los de baja y media mediante un intercambiador o bomba de calor.

DEFINICION: Ciencia que estudia los fenómenos termicos que ocurren en el interior de la tierra. El calor que esta posee en su interior puede ser aprovechado, ya que a una profundidad de 20m hay una temperatura de 17ºC.

Ventajas: Es una energia limpia e inagotable.
Inconvenientes: Es cara (debido a las instalaciones), poco rendimiento de la electrica en zonas de baja Temp., un gran impacto en el paisaje.

ENERGIA SOLAR

ENERGIA SOLAR
La energía desprendida por el sol es debida a una reacción termonuclear, que consiste en: 4gr de hidrógeno---------- 3,97gr de helio + Energía

Constante solar: La radiación del Sol se reparte en una esfera hipotética cuyo centro es el foco emisor (Sol) y el radio crece a la misma velocidad de la radiación.
La intensidad de esa radiación es: I = P/S = Potencia / Superficie
Así obtenemos el valor de la constante solar, que es de 1353 W/m(2).

APROVECHAMIENTO DE LA ENERGIA SOLAR
Generalidades: Un cuerpo expuesto al Sol absorbe y refleja las radiaciones del Sol. Si el cuerpo es negro, absorbe todas las radiaciones y se calienta, pero si es blanco no absorbe ninguna radiación y por lo tanto no sufre variación de temperatura.

Sistemas utilizados:
De baja y media temperatura:
- Colectores planos: Están basados en el efecto invernadero. Formados por una caja de chapa laminada, un aislante térmico, un absorbedor y una placa de cristal. Esta placa de cristal es transparente a la radiación de onda larga que emiten los cuerpos que están calientes. Se obtienen unas temperaturas que no superan los 100ºC.
De alta temperatura:
- Hornos solares: Se utilizan para fines experimentales como la fusion de materiales y las resistencias de materiales al calor. Temperaturas de hasta 6000ºC.
- Centrales solares: DCS (Concentradores parabólicos) y CRS (Heliostatos)

ENERGIA SOLAR PASIVA
Es el aprovechamiento de la energía solar de forma directa , sin transformarla en otro tipo de energía para su uso.
Los sistemas utilizados son:
Calentamiento de recintos: Aislamiento del recinto, instalación de acumuladores.
Conversión fotovoltaica: Centrales solares fotovoltaicas, pequeñas instalaciones, satélites.

EFECTO FOTOVOLTAICO
Energía solar fotovoltaica: Energía contenida en los fotones de la luz, transformada directamente en electricidad gracias a las células solares (semiconductores).
Célula fotovoltaica: También llamada fotopila. Dispositivo que transforma la energía luminosa en una corriente eléctrica.
El efecto fotovoltaico fue descubierto por Edmond Becquerel en 1893. Descubrió que algunos materiales generaban pequeñas cantidades de corriente eléctrica cuando se exponían a la luz.
La primera fotopila fue desarrollada mediante silicio, ya que se descubrió que la fotosensibilidad del silicio podía ser aumentada añadiéndole impurezas (dopado).

CONVERSIÓN FOTOVOLTAICA
Mediante semiconductores (conductores de la corriente eléctrica en condiciones especiales)
Pueden ser: Intrínsecos o extrínsecos (tipo P o tipo N)
Intrínsecos: Presentan impurezas por naturaleza. Se unen formando enlaces covalentes 2 a 2.
Extrínsecos tipo P: Se forman añadiendo impurezas trivalentes como son el aluminio, el boro. Los átomos de boro, al añadirlos junto al silicio cogen un electrón de este. Se crean iones negativos por cada átomo de impureza. Entonces en la capa exterior del silicio se quedara un hueco.
Extrínsecos tipo N: Impurezas pentavalentes como el fósforo. Los átomos de fósforo al unirse con los de silicio dejan un electrón suyo libre. Se crean iones positivos por cada átomo de impureza.

Funcionamiento de la conversión fotovoltaica:
Consiste en transformar la energía luminosa en energía eléctrica. Un cristal plano está compuesto por un cristal semiconductor extrínseco "n" y otro "p". Se recombinan los iones positivos del cristal "n" y los iones negativos de "p", entonces hace que se cree un campo eléctrico. Al incidir el fotón sobre el electrón hace que se rompa el enlace entre el hueco y el electrón y además transmite energía cinética que produce el movimiento del electrón. Al no poder pasar por la barrera de potencial, recorre el único camino posible que es por fuera, mientras tanto el hueco resultante de la colisión pasa al cristal "p" y al ser empujado por el campo eléctrico y entonces este hace el mismo movimiento que el electrón pero en sentido contrario y al pasar por fuera crea la corriente eléctrica aprovechada por el generador.

ENERGÍA EÓLICA

RECURSOS EÓLICOS
- El 2% de la energía solar se convierte en energía eólica.
- Las diferencias de temperatura debido a los gradientes de presión conllevan a la circulación del aire. También actúa la fuerza de Coriolis, debida al movimiento de rotación de la tierra.

Energía del viento:
Un aerogenerador obtiene su potencia de entrada convirtiendo la fuerza del viento en un par, y actuando sobre la palas del rotor. Se aprovecha la fuerza o energía de frenado.
La cantidad de energía transferida al rotor depende de:
- Densidad del aire: Masa por unidad de volumen. Cuanto más pesado sea el aire, mayor energía generará.
- Área de barrido del rotor: Determina cuanta energía es capaz de capturar una turbina eólica. Δbarrido = Π • r(2)
- Velocidad del viento: A mayor velocidad, mayor será la energía obtenida.

Velocidad y Potencia:
Demostración fórmula de potencia:
Ec = ½ m • v(2); Caudal = m / t ; m = V • dens.; V = Superf. • h --- Caudal = S•d •h /t
Vel.= h / t---- Caudal = S • d • v

Potencia = E / t = (1/2 m • v(2)) / t = ½ • d • S • v • v(2) = ½ • d • S • v(3)
Esta es la potencia teórica, pero según el teorema de Betz, solo se puede aprovechar un 16/27 (aprox. 60%) de la potencia total, llamado factor de potencia(Cp).
Esta potencia también dependerá del rendimiento del aerogenerador (µ)
P eléctrica = ½ •d • S • v(3) • Cp • µ

La cantidad de energía que pasee el viento varía con el cubo de la velocidad media del viento.

EMPLAZAMIENTO
La ubicación de las centrales eólicas se basa en unos criterios. Hay que tener en cuenta el efecto colina y el teorema de Bernuilli.
El efecto colina se basa en que la velocidad del aire es mayor en la cima de una colina o montaña que en un lateral de esta, ya que arriba se comprime más el aire.
También hay que tener en cuenta la rugosidad del terreno.

ENERGÍA PRODUCIDA
Distribución de Weibull:
El viento tiene varias velocidades, y necesitamos hallar la velocidad media del mismo. Hallarla no será un mero cálculo, sino que tendremos que hallar la velocidad media ponderada, es decir teniendo en cuenta el volumen del viento. Ya que el volumen es la tercera potencia, como mencionamos antes, habrá que hallar la v.m. ponderada.

Ley de Betz: Frenado ideal del viento.
Cuanto mayor sea la energía cinética que un aerogenerador extraiga del viento, mayor ralentización sufrirá el viento que deja el aerogenerador.
-Si extraemos toda la energía cinética, la velocidad será nula, el aire no saldría, y la potencia generada seía cero.

-En caso de que la velocidad de salida sea igual a la de entrada, la potencia también sería cero.
-Hay que frenar el viento, para extraer energía y convertirla en energía mecánica útil.

AEROGENERADOR
Componentes: Góndola:
-Buje - Palas del rotor
- Eje de baja vel. - Multiplicadora
- Eje alta vel. - Generador eléctrico
- Mecanismo orientación - Controlador electrónico
- Sistema hidráulico - Unidad de refrigeración
-Veleta - Anemómetro
Torre

Aerodinámica:
La aerodinámica de los aerogeneradores está basada en la sustentación. Es como los aviones.
El aire que se desliza a lo largo de la superficie superior del ala se mueve más rápido que el de la superficie inferior. Esto implica una presión más baja en la superficie superior, lo hace que se sustente, debido a la fuerza de empuje que se produce.
Además, las palas del rotor deben estar un poco torsionadas, con el fin de que el ángulo de ataque del viento sea el óptimo a lo largo de toda la pala.

Control de potencia:
Los aerogeneradores están preparados para rendir al máximo a velocidades de 15 m/s. Si la velocidad de los vientos es mayor es necesario pararlos electromecánicamente o que giren fuera del viento.

Torres de aerogeneradores:
Hay diferentes tipos:
Tubulares de acero: Son las más comunes. Tienen una estructura tronco-cónica, con el fin de aumentar su resistencia.
De celosía: Tienen la ventaja de que el coste es más barato.
De mástil: Principalmente aerogeneradores pequeños. Coste bajo, pero son más propensas a sufrir actos vandálicos.
Híbridas: Resultantes de combinaciones de las torres anteriormente mencionadas.

GENERADORES
Funcionamiento: Se basa en las leyes del electromagnetismo:
- Si circula corriente por un conductor, alrededor del mismo se crea un campo magnético. Si la corriente es variable el campo será variable. OERSTED
- Si un campo magnético variable abraza a un conductor, en dicho conductor se creará una fuerza electromotriz inducida, es decir, una tensión eléctrica.
FARADAY (Fundamento del generador)
- Si por un conductor pasa una corriente eléctrica, y éste, está dentro de un campo magnético, dicho conductor será expulsado de dicho campo. FARADAY Y LENDT (Fundamento del motor)
Hay dos tipos de generadores: Síncrono y Asíncrono.


VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LA ENERGÍA EÓLICA
Ventajas: Energía limpia, gratuita e inagotable.
Inconvenientes: Transporte y almacenamiento, coste, impacto visual, ruido, y el peligro que sufren las aves.