sábado, 5 de noviembre de 2011

Física Nuclear: Conceptos Básicos (III)

Reacción de Fisión Nuclear en Cadena

La fisión nuclear es una reacción que se produce mediante el bombardeo con neutrones de determinados nucleidos, denominados nucleidos fisionables. En la fisión acontece que al romperse el núcleo blanco se liberan varios neutrones (dos o tres) con una energía igual o superior a la de los neutrones incidentes, lo que permite que los neutrones producidos den lugar a nuevas fisiones, y los liberados en ellas a otras nuevas,etc. Con ello se puede conseguir que una vez iniciada la reacción no sea necesario continuar con el bombardeo de neutrones externos, sino que la reacción se mantenga por sí misma.

Cuando una vez iniciada una reacción es capaz de mantenerse por sí sola se dice que se trata de una reacción en cadena. Según esta definición, una reacción de fisión nuclear en cadena es un proceso de fisiones nucleares sucesivas en las que todos o parte de los neutrones liberados en cada fisión originan nuevas fisiones, y así sucesivamente.

Para conocer en qué condiciones puede tener lugar la reacción de fisión nuclear en cadena, es preciso estudiar las vicisitudes que siguen los neutrones producidos en la fisión. La reacción de un neutrón con un núcleo de uranio 235 da lugar, la mayor parte de las veces, a su fisión, proceso en el que como promedio se liberan 2,5 neutrones. Una parte de los neutrones producidos dará lugar a nuevas fisiones; otra parte será absorbida por núcleos de otros elementos presentes en el sistema, sin dar lugar a fisiones; una última parte escapará al exterior, sin que tampoco origine nuevas fisiones.

Si el número de neutrones del primer grupo es igual a la unidad se habrá obtenido una reacción autosostenida y con un número constante de fisiones por unidad de tiempo, ya que cada neutrón que produjo inicialmente una fisión dará lugar a otro neutrón útil para continuar el proceso. Se dice, entonces, que el sistema forma un conjunto crítico.

Si el número de neutrones útiles para producir nuevas fisiones fuera mayor que la unidad, el número de fisiones por unidad de tiempo sería creciente y tendríamos un conjunto hipercrítico.

Si, por el contrario, fuera menor que la unidad, la reacción decrecería con el tiempo y acabaría deteniéndose; el conjunto recibe el nombre de subcrítico.

Un conjunto será crítico, hipercrítico o subcrítico dependiendo de la proporción relativa de neutrones en cada uno de los tres grupos, lo que es función de la concentración de átomos de U-235 en el medio, de la concentración y naturaleza de los restantes nucleidos presentes, y de la relación entre volumen y superficie del medio donde tiene lugar la reacción.



Aplicación Práctica de la Fisión Nuclear

El hecho de que la fisión pueda dar lugar a una reacción de fisión nuclear en cadena permite que, una vez iniciada ésta, se mantenga por sí misma, lo que significa que puede obtenerse una producción de energía en régimen estacionario. La consecuencia práctica es que la fisión es una reacción nuclear que puede servir como fuente de energía para cubrir necesidades energéticas de la sociedad.

Esto es semejante, en un proceso nuclear, a lo que ocurre con las reacciones químicas de combustión, que también sirven como fuentes de energía porque una vez iniciada la combustión del carbón o del petróleo, la reacción se mantiene por sí misma sin necesidad de ninguna acción exterior. El interés principal de la fisión es su alto rendimiento energético. Un gramo de uranio-235 fisionado totalmente produciría una energía de 1 MWd (megavatiodía=24.000 kilovatios-hora), lo mismo que la combustión de 2,1 tep.


Combustible Nuclear

Se llama combustible nuclear cualquier material que contiene nucleidos fisionables y puede emplearse en un reactor para que en él se desarrolle una reacción nuclear en cadena.

Según esto el uranio es un combustible nuclear, como también lo es el óxido de uranio. En el primer caso nos referimos a un elemento químico, alguno de cuyos isótopos es fisionable; en el segundo, a un compuesto químico determinado que contiene tales isótopos.

Entendemos por isótopos fisionables aquellos nucleidos susceptibles de experimentar fisión. Para hablar con precisión, sería necesario especificar la energía de los neutrones que pueden hacer fisionar dicho isótopo; por ejemplo, el U-238 no es fisionable por los neutrones térmicos, pero sí por los rápidos, aunque con pequeña probabilidad (sección eficaz). Normalmente, y a no ser que se hagan mayores precisiones, suele entenderse por isótopo fisionable cualquier nucleido que fisiona tanto por la acción de los neutrones térmicos como de los rápidos.

El único isótopo fisionable que existe en la naturaleza es el uranio-235. Se encuentra en una proporción del 0,711% en el uranio natural.

Hay otros isótopos fisionables que no existen en la naturaleza pero que pueden obtenerse artificialmente. Los principales son:

El uranio-233, que se obtiene por captura de un neutrón por un núcleo de torio-232. El núcleo intermedio formado sufre dos desintegraciones beta, dando lugar al mencionado U-233. El torio es un mineral abundante en la Tierra en cantidad parecida al plomo y molibdeno, ocupando el puesto 39 en esta relación de abundancia terrestre y siendo mayor que la del uranio.

El plutonio-239. Aunque han podido detectarse trazas de él, se considera que no es un isótopo natural. Se forma en la captura de un neutrón por un núcleo de U-238, seguida por dos emisiones beta. El plutonio es un elemento que no existe en estado libre en la corteza terrestre pues su período de semidesintegración es muy inferior al del uranio-238 y al del torio-232, así como al tiempo transcurrido desde la formación de la Tierra.

• Menor importancia que los anteriores tiene el plutonio-241. Se forma por captura de un neutrón en el Pu-240, el cual procede, a su vez, de la captura de un neutrón por un núcleo de Pu-239.



Material Fértil

Existen determinados nucleidos de elementos de elevado peso atómico que reaccionan con los neutrones, capturando éstos y emitiendo después partículas beta, con la circunstancia de que el nucleido final es fisionable. Dichos nucleidos iniciales, no fisionables con neutrones térmicos, son de un gran interés práctico, puesto que si se introducen dentro de un reactor nuclear sirven de materia prima para la obtención de combustible nuclear. Reciben el nombre de nucleidos fértiles y el material que los contiene el de material fértil.

El torio-232 y el uranio-238 son los dos isótopos fértiles más importantes. Por lo tanto el torio y el uranio natural o empobrecido son los dos materiales fértiles de mayor interés técnico.



Aplicación Práctica de la Fusión Nuclear

El interés práctico de la fusión nuclear se encuentra en la cantidad de energía obtenida y en la abundancia de los elementos atómicos empleados, lo que le da el carácter de energía inagotable.

En las reacciones nucleares de fusión se emplean elementos átomos ligeros, en general el hidrógeno y sus isótopos: el deuterio y el tritio. El deuterio abunda en el agua del mar en una proporción de un átomo por cada 6.500 de hidrógeno. Como además, tres cuartas partes del planeta están cubiertas por agua, se puede afirmar que las reservas son inagotables. El tritio, aunque es escaso en la naturaleza, se puede generar mediante reacciones nucleares de neutrones con los dos isótopos del litio, material, por otro lado, abundante en la corteza terrestre (20 ppm) y en el agua del mar (0,17 ppm).

Desde el punto de vista energético, por la fusión del deuterio contenido en un litro de agua, se obtiene una energía equivalente a la producida en la combustión de 300 litros de gasolina.



Investigaciones sobre Fusión Nuclear

La fusión nuclear se encuentra en un estado de desarrollo tal que hasta la fecha no se ha demostrado su factibilidad científica: es decir, la energía gastada para producir las reacciones de fusión no se ha podido recuperar en su totalidad.

Se trata de reproducir en la Tierra las condiciones en las que los isótopos del hidrógeno experimentan fusiones en el Sol. Al no poder lograr en la Tierra la gran presión gravitatoria existente en el Sol, hay que recurrir a muy altas temperaturas, en las que estos isótopos (deuterio y tritio) están totalmente ionizados, en estado llamado de “plasma“.

A esas temperaturas, el plasma no puede confinarse con materiales metálicos ni cerámicos, por lo que hay que utilizar otros métodos de confinamiento. Se han desarrollado dos líneas de trabajo científico: el confinamiento magnético y el inercial.

En la fusión por confinamiento magnético se emplean campos magnéticos para hacer que las partículas del plasma se aceleren en trayectorias alrededor de las líneas del campo magnético, y así puedan reaccionar con mayor facilidad. Actualmente existen varias máquinas que funcionan bajo el concepto Tokamak. Los resultados más notables conseguidos hasta ahora se lograron en la máquina JET en noviembre de 1991, al obtener una potencia de 1,7 MW y posteriormente, en 1993, el TFTR llegó hasta los 6 MW alcanzando temperaturas de 30 millones de ºC.

El proyecto más avanzado de confinamiento magnético es el ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), prototipo basado en el concepto Tokamak, y en el que se espera alcanzar una ganancia energética superior a la unidad. Se trata de un proyecto multinacional de gran coste y largo período de gestación. Este proyecto se desarrolla en Cadarache (Francia).

En la fusión por confinamiento inercial se emplea un láser o un haz de partículas para suministrar la energía instantánea necesaria para la fusión de pequeñas partículas de deuterio y tritio. En la actualidad se dispone de láseres que tienen una energía de varias decenas de kilojulios. Para alcanzar la factibilidad científica será necesario incrementar su energía en un factor 10. En este sentido, en el laboratorio de Livermore, en Estados Unidos, se construido una instalación: NIF (National Ignition Facility) con una energía entre 1,8 y 2,2 MJ. Paralelamente Francia está realizando un proyecto similar: el “Láser Megajoule“, que con una energía entre 1,8 y 3,2 MJ se instalará en Burdeos.

sábado, 18 de junio de 2011

Física Nuclear: Conceptos Básicos (II)

La Radiactividad

La radiactividad fue descubierta por el científico francés Antoine Henri Becquerel en 1896. El descubrimiento tuvo lugar de una forma casi ocasional: Becquerel realizaba investigaciones sobre la fluorescencia del sulfato doble de uranio y potasio y descubrió que el uranio emitía espontáneamente una radiación misteriosa. Esta propiedad del uranio —después se vería que hay otros elementos que la poseen— de emitir radiaciones, sin ser excitado previamente, recibió el nombre de radiactividad.

El descubrimiento dio lugar a un gran número de investigaciones sobre el tema. Quizás las más importantes en lo referente a la caracterización de otras sustancias radiactivas fueron las realizadas por el matrimonio, también francés, Pierre y Marie Curie, quienes descubrieron el polonio y el radio, ambos en 1898.

La naturaleza de la radiación emitida y el fenómeno de la radiactividad fueron estudiados en Inglaterra por Ernest Rutherford, principalmente, y por Frederick Soddy. Como resultado pronto se supo que la radiación emitida podía ser de tres clases distintas, a las que se llamó alfa, beta y gamma, y que al final del proceso el átomo radiactivo original se había transformado en un átomo de naturaleza distinta, es decir, había tenido lugar una transmutación de una especie atómica en otra distinta. También se dice (y esta es la terminología actual) que el átomo radiactivo ha experimentado una desintegración.

Hoy sabemos que la radiactividad es una reacción nuclear de “descomposición espontánea“; es decir, un nucleido inestable se descompone en otro más estable que él, a la vez que emite una “radiación“. El nucleido hijo (el que resulta de la desintegración) puede no ser estable, y entonces se desintegra en un tercero, el cual puede continuar el proceso, hasta que finalmente se llega a un nucleido estable. Se dice que los sucesivos nucleidos de un conjunto de desintegraciones forman una serie radiactiva o familia radiactiva.

Digamos, por último, que son radiactivos todos los isótopos de los elementos con número atómico igual o mayor a 84 (el polonio es el primero de ellos), y que hoy se obtienen en el laboratorio isótopos radiactivos de elementos cuyos isótopos naturales son estables; es la llamada radiactividad artificial. La primera obtención en el laboratorio de un isótopo artificial radiactivo (es decir, el descubrimiento de la radiactividad artificial) la llevó a cabo en 1934 el matrimonio formado por Frédéric Joliot e Irene
Curie, hija de los esposos Curie.

Tipos de Desintegraciones Radiactivas

Al estudiar el fenómeno de la radiactividad, Rutherford descubrió que la radiación emitida por una desintegración radiactiva podía ser de tres clases: alfa, beta, y gamma; además también hay que considerar hoy la emisión de neutrones.

La radiación alfa (α) está formada por núcleos del isótopo 4 del helio, es decir, está constituida por una radiación corpuscular, en la que cada corpúsculo está formado por dos protones y dos neutrones. Ello significa que tiene una masa atómica de 4 unidades y una carga eléctrica de 2 unidades positivas. Estos protones y neutrones formaban antes parte del núcleo que se ha desintegrado.

– La radiación beta (β) está constituida por electrones, lo que significa que es también de naturaleza corpuscular, en la que cada corpúsculo tiene una masa atómica de 1/1800, aproximadamente, y una carga de 1 unidad negativa.
A diferencia del caso anterior, el electrón emergente no existía anteriormente en el núcleo sino que procede de la transformación de un neutrón en un protón, que queda dentro del núcleo, y el electrón, que es eyectado. Posteriormente se descubrió la radiación beta positiva, semejante a la beta pero con carga positiva. Está formada por positrones procedentes de la transformación de un protón en un neutrón.

- La radiación gamma (γ) es de naturaleza electromagnética, semejante a la luz ordinaria o a la radiación X, pero con mucho menor longitud de onda. Es, por lo tanto, de naturaleza ondulatoria, carente de masa en reposo y de carga. Esta radiación tampoco existía antes en el núcleo, sino que es energía que se emite como consecuencia de un reajuste energético del núcleo.


– En la fisión (descomposición de un núcleo inestable en dos núcleos de inferior número atómico) espontánea, así como en la fisión inducida y en otras reacciones nucleares, se produce una radiación de neutrones, formada por estas partículas, con masa, por lo tanto, de 1 unidad de masa atómica y sin carga.

Las leyes que rigen los distintos tipos de desintegración fueron descubiertas por Soddy y Fajans. Estas leyes son:
– En la desintegración alfa, puesto que se emiten dos protones y dos neutrones, el nucleido hijo tiene dos protones menos que el padre, lo que significa que ha retrocedido dos puestos en el sistema periódico y su masa ha disminuido en cuatro unidades.

– En la desintegración beta negativa, ya que un neutrón se transforma en un protón, el átomo hijo tiene un protón más que el padre, lo que representa que avanza un puesto en el sistema periódico, y no varía su masa atómica.

– La emisión gamma no constituye una desintegración propia sino que se produce acompañando a las radiaciones alfa o beta, en las desintegraciones de este tipo, o en la desexcitación de nucleidos que se encontraban en un nivel energético superior al normal de ese nucleido (nucleidos excitados).

– En la desintegración con emisión de un neutrón, el nucleido hijo es un isótopo del padre, y posee una masa menor en una unidad.

Proceso Estadístico de una Desintegración Radiactiva

La desintegración de un cuerpo radiactivo es un proceso estadístico; ello quiere decir que si consideramos un determinado átomo radiactivo no podemos conocer en qué momento tendrá lugar su desintegración, pero si tomamos un número muy grande de átomos de un mismo nucleido, podemos conocer la ley que, como promedio, sigue el conjunto en su desintegración.

Se demuestra que la probabilidad de que se desintegre un átomo radiactivo permanece constante a lo largo del tiempo. Ello se traduce en que al desintegrarse una sustancia radiactiva la cantidad de ella que no se ha desintegrado disminuye exponencialmente con el tiempo. Se llama período de semidesintegración, T, al tiempo que ha de transcurrir para que la cantidad de sustancia radiactiva se haya reducido a la mitad. El valor de T puede variar entre fracciones muy pequeñas de segundo (isótopos de vida corta) a millones de años (isótopos de vida larga).

La ley matemática que recoge la desintegración radiactiva es N=No e-λt., siendo N0 la masa inicial del radionucleido existente, λ la constante de desintegración específica para cada elemento y t, el tiempo transcurrido. El período de semidesintegraciónT está relacionado con la constante de desintegración λ mediante la fórmula T= 0,693/λ.


Radiaciones Ionizantes

El término radiación se emplea genéricamente para designar la energía electromagnética o las partículas materiales que, a partir de un foco emisor, se propagan en el espacio. Esta propagación, en ausencia de campos que influyan sobre la radiación, es rectilínea (en forma de “rayos“, a lo cual alude el nombre).

Determinadas radiaciones son capaces de producir iones (partículas cargadas, por ejemplo, por arranque de electrones de sus átomos) a su paso por la materia, por lo que reciben el nombre genérico de radiaciones ionizantes: en unos casos la radiación está formada por partículas cargadas que poseen energía cinética suficiente para producir iones en su colisión con los átomos que encuentran a su paso (se las llama, por eso, radiaciones directamente ionizantes); en otros casos la radiación está formada por partículas no cargadas que pueden dar lugar en la materia a la liberación de partículas directamente ionizantes, por lo que reciben el nombre de radiaciones indirectamente ionizantes.

Las principales radiaciones ionizantes, son: las radiaciones alfa, beta, y gamma, los rayos X y los neutrones. De ellas, las dos primeras son radiaciones directamente ionizantes, y las demás son indirectamente ionizantes.


Reacciones Nucleares

Por analogía con las reacciones químicas, se llaman reacciones nucleares las interacciones entre núcleos atómicos o entre núcleos atómicos y partículas elementales; por extensión, se incluyen también las interacciones entre partículas elementales.

La primera reacción nuclear llevada a cabo en el laboratorio la realizó Rutherford, en 1919, bombardeando el isótopo 14 del nitrógeno con partículas alfa. En la reacción se producen el isótopo 17 del oxígeno y un protón. Simbólicamente se representa por la ecuación:



Al igual que en química se considera que la descomposición espontánea de una molécula inestable es la reacción química más simple (reacción monomolecular), la radiactividad es el tipo más simple de reacción nuclear, y es la que se descubrió primero.

En los demás tipos de reacciones nucleares hay, en general, dos núcleos o partículas que reaccionan, para dar lugar a productos de reacción. A semejanza de lo que ocurre en una reacción química, para producir una reacción nuclear normalmente es necesario comunicar al sistema inicial una energía de activación. En la reacción se libera energía, que se manifiesta en forma de energía cinética de los productos de la reacción, acompañada en ocasiones por la producción de radiación gamma.


Realización de una Reacción Nuclear

Una reacción nuclear puede representarse esquemáticamente en la forma:

a + X -------------> Y + b

donde X e Y son los núcleos inicial y final, “a“ es la partícula empleada como proyectil y “b“ la partícula emergente. Para que ocurra la reacción es necesario que la partícula “a” tenga una energía suficiente para producirla.  En las primeras reacciones nucleares realizadas en el laboratorio se emplearon como proyectiles partículas procedentes de una desintegración radiactiva.

Más adelante se construyeron los llamados aceleradores de partículas, donde la energía necesaria se obtiene mediante la acción de campos eléctricos o magnéticos.

Un criterio ampliamente usado para clasificar las reacciones nucleares consiste en definirlas sobre la base de las dos partículas incidente y emergente, “a y b“. Así, se habla de reacciones (n, p) en las que la partícula incidente es un neutrón y la emergente un protón, etc.

Cuando no existían aún los aceleradores, se utilizaba como proyectil la radiación alfa de una desintegración radiactiva; los trabajos de Rutherford en los primeros decenios del siglo XX se centraron en este tipo de reacciones. La construcción de aceleradores de partículas permitió el empleo de otros proyectiles cargados, principalmente protones. En 1934 el físico italiano Enrico Fermi concibió la idea de emplear el neutrón (que como partícula eléctricamente neutra no tiene que vencer la repulsión del núcleo) como proyectil y el grupo de investigadores dirigido por él estudió sistemáticamente las reacciones entre neutrones y los diversos elementos de la tabla periódica.

Fermi descubrió que la probabilidad de interacción de los neutrones con los núcleos era mayor cuando los neutrones tenían bajas energías (estaban “moderados“), incluso a energías correspondientes a la temperatura ambiente (neutrones térmicos). En una de estas reacciones, la que tiene lugar entre el uranio-235 y el neutrón, en los últimos días de 1938 Otto Hahn descubrió la fisión.

Entre los tipos más importantes de reacciones nucleares debemos citar:

– Dispersión: en ellas la partícula es de la misma naturaleza que el proyectil.
Todo ocurre como si éste hubiese rebotado contra el blanco, aunque nadie podría asegurar que la partícula emergente sea la misma que incidió. Cuando la energía cinética total de los productos originales es igual a la de los productos finales de la reacción se dice que se trata de una dispersión elástica. Si, por el contrario, la energía cinética total de los productos de reacción es menor que la inicial, diremos que es una dispersión inelástica. En este caso, la diferencia entre ambas energías es absorbida por el blanco, el cual queda excitado.

– Captura: en esta reacción la partícula incidente es absorbida por el
blanco sin que se produzca ninguna partícula emergente, con la excepción
de fotones gamma.

– Fisión: en este tipo de reacción, un núcleo pesado se rompe en, generalmente, dos fragmentos cuyos tamaños son del mismo orden de magnitud, lo que va acompañado de una emisión de neutrones y radiación gamma, con la liberación de una gran cantidad de energía (en forma de energía cinética de los fragmentos y de los neutrones y las radiaciones producidas).
Aunque existen casos de fisión espontánea o de fisión por captura de un fotón, la reacción se produce normalmente por la captura de un neutrón.

– Espalación: es una reacción originada por una partícula de alta energía (por ejemplo un protón de 1 GeV) en un núcleo pesado, como uranio o plomo. En la reacción se arrancan varios neutrones. Una partícula muy energética provoca espalación en varios núcleos consecutivamente y es posible que aparezcan 40 neutrones o más por cada protón de 1 GeV.
Esta reacción está relacionada con los aceleradores de partículas.

– Fusión nuclear: es una reacción entre dos núcleos de átomos ligeros en la que se produce un núcleo de un átomo más pesado, unido a la liberación de partículas elementales y de una gran cantidad de energía. La energía liberada en el Sol y en las estrellas proviene de reacciones de fusión nuclear.

domingo, 17 de abril de 2011

Física Nuclear: Conceptos Básicos (I)

Para introducirnos en la energía nuclear, vamos a comenzar abordando los conceptos básicos necesarios para comprender su física y entender las reacciones que liberan grandes cantidades de energía.
Después describiremos su aplicación tecnológica.

El Átomo

La teoría atómico-molecular fue establecida a principios del siglo XIX; Dalton, Avogadro y Proust fueron sus principales artífices. Según ella, la materia es discontinua, de tal modo que la menor parcela que se puede obtener de un cuerpo es una molécula. Las moléculas, a su vez, pueden dividirse en unas entidades menores denominadas átomos; las moléculas de los cuerpos simples están formadas por átomos iguales entre sí, mientras que las moléculas de los cuerpos compuestos están formadas por átomos de dos o más clases. También afirmaba esta teoría que los átomos eran indivisibles, a lo que alude su nombre (“átomos“ significa “no divisible“ en griego), y que todos los átomos de un mismo elemento eran iguales.

Por lo tanto, podemos definir un átomo como “la parte más pequeña y eléctricamente neutra de que está compuesto un elemento químico y que puede intervenir en las reacciones químicas sin perder su integridad“.

Hoy se conocen más de 109 elementos químicos distintos, algunos de los cuales no existen en la naturaleza y se han obtenido artificialmente.

Una serie de descubrimientos que tuvieron lugar en el último tercio del siglo XIX y primer tercio del XX obligaron a revisar esta teoría atómica: la Ley periódica de Mendeleiev, las teorías sobre la ionización y la radiactividad dieron lugar a que, primero, Rutherford y, luego, Bohr y Heisenberg, establecieran el modelo atómico hoy vigente.

Según este modelo el átomo no es indivisible sino que está formado por entidades más pequeñas, llamadas partículas elementales.

En el átomo se pueden considerar dos partes: una central o núcleo atómico formado por protones (con carga eléctrica positiva) y neutrones, y una parte externa o corteza, formada por electrones, con carga eléctrica negativa (hay tantos electrones en la corteza como protones en el núcleo, por lo cual el átomo es eléctricamente neutro), los cuales giran alrededor del núcleo a semejanza de los planetas que giran alrededor del Sol. El radio del átomo es de unos 10-8 cm, y el del núcleo es de 10-13 cm, lo que indica que la materia está casi totalmente vacía.




Las Partículas Elementales


Hoy sabemos que los átomos no son indivisibles sino que están formados por unas partículas subatómicas, llamadas partículas elementales.

Estas se pueden definir como entes físicos más simples que el núcleo atómico, y se considera que son el último constituyente de la materia.

Las tres partículas elementales que forman parte del átomo son: el electrón, el protón y el neutrón. El electrón posee una masa de 9,11 x 10-31 kg (aproximadamente
1/1800 de la masa del átomo de hidrógeno) y una carga negativa de 1,602 x 10-19 C (este valor se toma como unidad en física nuclear); el protón tiene una masa de 1,673 x 10-27 kg (aproximadamente, la masa del átomo de hidrógeno) y una carga positiva igual en valor absoluto a la carga del electrón; el neutrón tiene una masa ligeramente superior a la del protón y carece de carga eléctrica.

Hoy se sabe que el protón y el neutrón no son esencialmente distintos, sino que son dos estados de una misma partícula denominada nucleón, de tal modo que un neutrón puede desintegrarse en un protón más un electrón, sin que ello signifique que el electrón existiese anteriormente sino que se forma en el momento de la desintegración.

Análogamente, un protón puede transformarse en un neutrón para lo que ha de emitir un electrón positivo (positrón).

Otra partícula de gran importancia en física nuclear es el neutrino, que, aunque carece de masa y de carga, posee energía y cantidad de movimiento.

La existencia del neutrino se dedujo a partir de consideraciones teóricas que hacían necesaria la existencia de esta partícula si determinados procesos subatómicos habían de cumplir las leyes de la física.

El estudio de la radiación cósmica, así como los experimentos que se llevan a cabo en los aceleradores de partículas, han permitido comprobar la existencia de un número mucho mayor de partículas elementales, todas ellas de vida efímera, es decir, que se desintegran en otras; estas partículas han recibido los nombres de muones, tauones, mesones, hiperones, etc.

El número de partículas elementales descubiertas hasta la fecha rebasa el centenar.

También se sabe que además de cada partícula existe la antipartícula correspondiente, la cual posee la misma masa que ella e igual carga pero de signo contrario. Así, el antiprotón es una partícula con la misma masa que el protón pero cuya carga es una unidad negativa; el antielectrón (que recibe el nombre de positrón) es igual que un electrón con carga positiva. Las antipartículas tienen una vida muy corta, ya que cuando se encuentran con una partícula se aniquilan liberando energía.



Isótopos

Una especie atómica viene definida por dos números enteros: el número de protones que hay en el núcleo y el número total de protones más neutrones. El primero, llamado número atómico, Z, define el
elemento químico al que pertenece el átomo; es decir, independientemente del número de neutrones que posean, todos los átomos cuyos núcleos tienen un protón son átomos de hidrógeno, todos los que tienen ocho protones son átomos de oxígeno, etc. El segundo número, denominado número másico, A, es el número entero más próximo a la masa (expresada en unidades de masa atómica) del átomo en cuestión; es decir, todos los átomos con A igual a 2 tienen una masa de, aproximadamente, 2 unidades másicas; los que tienen A = 235, tienen una masa de unas 235 unidades de masa atómica.

Ocurre que existen varias especies atómicas (o clases de átomos) que tienen el mismo número atómico pero poseen números másicos distintos.

Esto significa que dentro de cada elemento químico existen varias especies atómicas que difieren en su masa atómica. Estas especies de un mismo elemento se llaman isótopos, nombre que alude (isos: igual; topos: lugar) a que estos átomos ocupan el mismo lugar en la tabla periódica de los elementos.

Por ejemplo, el hidrógeno tiene tres isótopos: el isótopo con A=1, denominado protio (que carece de neutrones); el isótopo con A=2, llamado deuterio (que posee 1 neutrón); y el isótopo con A=3, denominado tritio (que posee 2 neutrones).


Nucleido

Nucleido es el nombre genérico que se aplica a todos los átomos que poseen el mismo número atómico y el mismo número másico.

Simbólicamente cada nucleido se representa por ZAM, donde M es el símbolo del elemento químico al que pertenece, y A y Z son sus números másico y atómico, respectivamente.

Dos nucleidos que difieren en el número másico pero tienen un mismo número atómico son “especies“ de un mismo elemento químico. Se dice que estos dos nucleidos son isótopos de dicho elemento. De acuerdo con estas definiciones nucleido se refiere a considerar cada especie por sí misma, mientras que el concepto isótopo implica una relación de comparación.

Ahora bien, en la práctica se suele olvidar esta distinción semántica tan sutil entre ambos vocablos, y, aunque no sea riguroso, es moneda corriente el empleo de isótopo como sinónimo de nucleido, aunque no al contrario. Emplearemos isótopo con los dos significados: isótopo “strictu sensu“ y nucleido.

sábado, 26 de marzo de 2011

El Hidrógeno como Vector Energético. Otra Alternativa de Futuro


El hidrógeno es el elemento químico más ligero y abundante en el universo.

En nuestro planeta apenas se encuentra en estado libre (200 Mt). Aunque su producción es un proceso fundamentalmente endotérmico, es decir, siempre gastaremos mas energía en producirlo que el que obtendremos en su utilización, la consideración del proceso económico y de gestión global de esta fuente energética en las esperadas condiciones futuras de la demanda energética puede aportar un resultado final que la convierta en competitiva. Esto quiere decir que o bien su producción debe ser fácil y barata o el coste y la oportunidad de su sustitución justifican su uso.

El hidrógeno destaca como combustible por el carácter limpio de su energética reacción de oxidación para formar agua (242 kJ/mol) y porque ésta es casi tres veces más energética por unidad de masa que la reacción de oxidación de los hidrocarburos y resto de combustibles fósiles.

Esta nueva fuente energética adquiere valor económico y competitividad al ser una alternativa del petróleo y del gas, sobre todo en el transporte, y al incorporarse al “mix” energético. El carácter finito de los combustibles fósiles, que en el caso del petróleo y del gas tienen fecha actual de agotamiento en el presente siglo, unido a la preocupación de estar concluyendo la fase de explotación fácil y de bajo coste del petróleo, inciden en la creciente importancia del hidrógeno como energía sustitutiva de estos. Además, hay que añadir que es una fuente energética limpia de gases del efecto invernadero en su uso, aunque no sea así en todos los métodos de producción.

En la actualidad, el hidrógeno se obtiene principalmente a partir de los combustibles fósiles, generándose gases de efecto invernadero. Sin embargo es posible su producción limpia mediante electrólisis del agua o disociando directamente esta molécula con temperaturas del orden de los 2.500 ºC. Este último procedimiento es objeto de investigación y está registrando avances muy importantes mediante los nuevos ciclos termoquímicos con catalizadores avanzados y membranas, logrando reducir dicha temperatura al entorno de los 900 ºC o incluso 550 ºC.

En la producción del calor necesario para alcanzar las citadas temperaturas y sin verter gases del efecto invernadero, se abren paso los reactores nucleares de alta temperatura (HTGR), para el rango de los 950 ºC y se añaden los reproductores rápidos para los valores de 550 ºC. En la actualidad hay funcionando prototipos de reactores HTGR conectados a una planta de generación de hidrógeno con un plan de pruebas enfocado a disponer de un modelo comercial en la próxima década. También existe una oportunidad para la energía solar mediante su concentración.

Téngase en cuenta que una tonelada de hidrógeno producida por el sistema actual de reformado (descomposición) de la molécula del gas natural (metano) genera 7,75 t de CO2, provenientes un 70% de la reacción química y un 30% de quemar parte de este metano para alcanzar la temperatura de reacción. Si en su lugar se aportase directamente vapor de agua calentado por un reactor nuclear entonces el CO2 sería un 30% menos.

Las reacciones de reformado del metano se realizan con un catalizador de níquel y a temperatura entre 550 y 900 ºC:
CH4 + H2O ↔ CO + 3H2 – 206 kJ/mol
CH4 + 2H2O ↔ CO2 +3H2 – 165 kJ/mol
CO2 + H2O ↔CO2 + H2 + 41 kJ/mol

La electrolisis mediante energía eléctrica ahora supone el 4% del total producido, con la restricción de su elevado coste. Se abre la posibilidad de producir esta electricidad con energías renovables pero hay que considerar los condicionantes que conlleva por su irregularidad, la ocupación del terreno necesaria y los costes finales de transporte, ya sea del hidrógeno o de la energía eléctrica.

La utilización del hidrógeno se hace en motores mediante su oxidación directa con el oxígeno, o últimamente mediante la tecnología de las celdas de combustible ahora en pleno desarrollo. Se trata de una “máquina” inversa a una batería, de forma que aportando por sus dos electrodos: ánodo y cátodo, hidrógeno y oxígeno, respectivamente, genera electricidad y agua, con rendimientos del 70%.

De confirmarse la viabilidad económica y de gestión del uso del hidrógeno, estaríamos en el umbral de una nueva era energética con un nuevo e importante “vector energético” capaz de crear una economía alternativa a la actual basada en el petróleo. Hablamos de vector pues es una energía que requiere ser elaborada y como tal es un producto y a la vez un servicio como la electricidad. El hidrógeno se utiliza hoy en la industria química y en la aeroespacial. También existen, ya, prototipos de vehículos impulsados por este gas circulando en algunos países.

Solo para poder mantener la demanda de la industria petroquímica, se estima que deberá duplicarse su producción a final de la presente década y cuadruplicarse en 20 años. Si a esto se le añade su posible incorporación a la economía del transporte (25% del consumo de energía primaria mundial) y a la de generación de calor (40%) y electricidad, entonces las necesidades de este combustible salen de escala.

La producción mundial de H2 supera los 50 Mt, cantidad suficiente para abastecer 150 millones de coches con celdas de combustible o alimentar energéticamente a cerca de 30 millones de hogares. Esta producción de H2 (2% de la demanda de energía primaria mundial) necesitaría la producción de 104 reactores nucleares dedicados.

Hablar del hidrógeno como fuente energética sostenible del futuro significa, finalmente, hablar de energía nuclear y de renovables para su producción.

En anteriores entradas ya nos hemos ocupado de las renovables. Por tanto, a partir de esta entrada, nos centraremos en la energía nuclear, aportando toda la información necesaria para comprender su física y su tecnología.

domingo, 27 de febrero de 2011

Gas Natural: Combustible Prescindible

Composición y Utilidad

El gas natural es una mezcla de gases entre los que se encuentra en mayor proporción el metano. La proporción en la que se encuentra este compuesto es del 75% al 95% del volumen total de la mezcla. El resto de los componentes son etano, propano, butano, nitrógeno, dióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno, helio y argón.

El desarrollo del empleo del gas natural se ha realizado con posterioridad al uso del petróleo. El gas natural que aparecía en casi todos los yacimientos petrolíferos se quemaba como un residuo más. A pesar de su enorme poder calorífico no se podía aprovechar, por los grandes problemas
que planteaban su almacenamiento y transporte.

La necesidad de encontrar nuevas fuentes de energía, la puesta a punto de las técnicas de licuefacción de gas y procedimientos de soldadura de tuberías para resistir grandes presiones, han hecho posible la utilización de todos estos recursos energéticos. Hoy Europa es abastecida por una red de gasoductos que recorren miles de kilómetros y están en proyecto otros nuevos con Asia y Argelia.

El gas natural se utiliza:
a) Como combustible doméstico e industrial: tiene un gran poder calorífico.
Su combustión es regulable y produce escasa contaminación. Incluso la producción de CO2 es poco mayor de la mitad de la producida por los restantes combustibles fósiles.

b) Como materia prima en la industria petroquímica para la obtención de amoníaco, metanol, etileno, butadieno y propileno.

Centrales Térmicas de Gas


Ventajas del Gas Natural

El gas natural es una de las energías primarias de utilización más reciente, puesto que hasta la segunda década del siglo XX no comenzó su comercialización en Estados Unidos, país pionero en su producción y consumo, no extendiéndose su empleo a Europa Occidental hasta después de la Segunda Guerra Mundial, aunque su conocimiento se remonta, al menos, al comienzo de la explotación comercial del petróleo.

Las razones que explican la creciente utilización del gas natural en el mundo, en sustitución de otros combustibles, son diversas, pudiendo sintetizarse en los siguientes puntos:
a) Alto poder calorífico (9.000-12.000 kcal/m3)..
b) Mayor limpieza ambiental frente al resto de combustibles fósiles al generar menores cantidades de CO2 del efecto invernadero y por ello menos penalizada por el protocolo de Kioto y la asignación de emisiones.
c) Comodidad de utilización para la generación de calor en consumos domésticos e industriales.
d) Importancia de su utilización en procesos industriales, como, por ejemplo, en los tratamientos de endurecimiento y como elemento de síntesis.
e) Versatilidad, pues el gas natural puede competir con las restantes
energías primarias en un 70% de sus empleos, básicamente en los procesos de generación de calor.
Sin embargo, el gas natural tiene sus precios indexados, es decir relacionados proporcionalmente con el precio del petróleo y unas reservas que con el ritmo previsible de consumo pueden estar agotadas a medio plazo.

Inconveniente

El precio del gas natural fluctúa al igual que el precio del petróleo. Los países que no disponen de reservas sufren los inconvenientes de una dependencia sin certidumbre de precio del combustible.

Riesgos de las Centrales Térmicas de Gas Natural

Si bien en una central térmica de gas los riesgos para la salud y el impacto medioambiental son menores que en una de carbón y en una de fuelóleo, durante la combustión aparece fundamentalmente NOx, que produce un gran riesgo de enfermedades respiratorias.

A esto hay que añadir el riesgo de fuego y explosión durante el almacenamiento y transporte del combustible, procesos muy importantes en estas centrales. Este riesgo se debe a la presencia de gases licuados inflamables en la composición del gas natural.

Las emisiones de NOx producen un impacto medioambiental a corto y largo plazo en el entorno regional y local. Al producir CO2, aunque sea menos que las de carbón, estas centrales participan en el efecto invernadero.


Datos Relevantes






En España, el parque de centrales de ciclo combinado de gas natural tienen la misma potencia instalada que el parque de centrales de carbón, alrededor de 12.000 MW, mientras el de fuelóleo suma 6.960 MW y el de fuelóleo/gas 3.600 MW.

sábado, 19 de febrero de 2011

Petróleo: Energía y Materia prima para la Industria Química

Ciclo de Vida del Petróleo

1. Origen y Formación del Petróleo

El producto es un compuesto químico complejo en el que coexisten partes sólidas, líquidas y gaseosas. Lo forman, por una parte, unos compuestos denominados hidrocarburos, formados por átomos de carbono e hidrógeno y, por otra, pequeñas proporciones de nitrógeno, azufre, oxígeno y algunos metales. Se presenta de forma natural en depósitos de roca sedimentaria y sólo en lugares en los que hubo mar.

Su color es variable, entre el ámbar y el negro y el significado etimológico de la palabra petróleo es aceite de piedra, por tener la textura de un aceite y encontrarse en yacimientos de roca sedimentaria.

Factores para su formación:

  • Ausencia de aire
  • Restos de plantas y animales (sobre todo, plancton marino)
  • Gran presión de las capas de tierra
  • Altas temperaturas
  • Acción de bacterias
Los restos de animales y plantas, cubiertos por arcilla y tierra durante muchos millones de años –sometidos por tanto a grandes presiones y altas temperaturas–, junto con la acción de bacterias anaerobias (es decir, que viven en ausencia de aire) provocan la formación del petróleo.

El hecho de que su origen sea muy diverso, dependiendo de la combinación de los factores anteriormente citados, provoca que su presencia sea también muy variada: líquido, dentro de rocas porosas y entre los huecos de las piedras; volátil, es decir, un líquido que se vuelve gas al contacto con el aire; semisólido, con textura de ceras. En cualquier caso, el petróleo, de por sí, es un líquido y se encuentra mezclado con gases y con agua.
Localización:

Al ser un compuesto líquido, su presencia no se localiza habitualmente en el lugar en el que se generó, sino que ha sufrido previamente un movimiento vertical o lateral, filtrándose a través de rocas porosas, a veces una distancia considerable, hasta encontrar una salida al exterior –en cuyo caso parte se evapora y parte se oxida al contactar con el aire, con lo cual el petróleo en sí desaparece– o hasta encontrar una roca no porosa que le impide la salida. Entonces se habla de un yacimientos.

Nota: El petróleo no forma lagos subterráneos; siempre aparece impregnado en rocas porosas.

Los tipos más habituales de yacimiento son los siguientes:

Estratigráficos: En forma de cuña alargada que se inserta entre dos estratos.

Anticlinal: En un repliegue del subsuelo, que almacena el petróleo en el arqueamiento del terreno.

Falla: Cuando el terreno se fractura, los estratos que antes coincidían se separan. Si el estrato que contenía petróleo encuentra entonces una roca no porosa, se forma la bolsa o yacimiento.

En las últimas décadas se ha desarrollado enormemente la búsqueda de yacimientos bajo el mar, los cuales, si bien tienen similares características que los terrestres en cuanto a estructura de las bolsas, presentan muchas mayores dificultades a la hora de su localización y, por añadidura, de su explotación.
2. Exploración

Para descubrir los lugares donde existen yacimientos de petróleo no existe un método científico exacto, sino que es preciso realizar multitud de tareas previas de estudio del terreno. Los métodos empleados, dependiendo del tipo de terreno, serán geológicos o geofísicos.

Métodos Geológicos

El primer objetivo es encontrar una roca que se haya formado en un medio propicio para la existencia del petróleo, es decir, suficientemente porosa y con la estructura geológica de estratos adecuada para que puedan existir bolsas de petróleo.

Hay que buscar, luego, una cuenca sedimentaria que pueda poseer materia orgánica enterrada hace más de diez millones de años.

Para todo ello, se realizan estudios geológicos de la superficie, se recogen muestras de terreno, se inspecciona con Rayos X, se perfora para estudiar los estratos y, finalmente, con todos esos datos se realiza la carta geológica de la región que se estudia.

Tras nuevos estudios “sobre el terreno” que determinan si hay rocas petrolíferas alcanzables mediante prospección, la profundidad a la que habría que perforar, etc., se puede llegar ya a la conclusión de si merece la pena o no realizar un pozo-testigo o pozo de exploración. De hecho, únicamente en uno de cada diez pozos exploratorios se llega a descubrir petróleo y sólo dos de cada cien dan resultados que permiten su explotación de forma rentable.

Métodos Geofísicos

Cuando el terreno no presenta una estructura igual en su superficie que en el subsuelo (por ejemplo, en desiertos, en selvas o en zonas pantanosas), los métodos geológicos de estudio de la superficie no resultan útiles, por lo cual hay que emplear la Geofísica, ciencia que estudia las características del subsuelo sin tener en cuenta las de la superficie.
Aparatos como el gravímetro permiten estudiar las rocas que hay en el subsuelo. Este aparato mide las diferencias de la fuerza de la gravedad en las diferentes zonas de suelo, lo que permite determinar qué tipo de roca existe en el subsuelo.

Con los datos obtenidos se elabora un “mapa” del subsuelo que permitirá determinar en qué zonas es más probable que pueda existir petróleo.

También se emplea el magnetómetro, aparato que detecta la disposición interna de los estratos y de los tipos de roca gracias al estudio de los campos magnéticos que se crean.

Igualmente se utilizan técnicas de prospección sísmica, que estudian las ondas de sonido, su reflexión y su refracción, datos éstos que permiten determinar la composición de las rocas del subsuelo. Así, mediante una explosión, se crea artificialmente una onda sísmica que atraviesa diversos terrenos, que es refractada (desviada) por algunos tipos de roca y que es reflejada (devuelta) por otros y todo ello a diversas velocidades.

Estas ondas son medidas en la superficie por sismógrafos.

Más recientemente, las técnicas sísmicas tridimensionales de alta resolución permiten obtener imágenes del subsuelo en su posición real, incluso en situaciones estructurales complejas

Pero, con todo, la presencia de petróleo no está demostrada hasta que no se procede a la perforación de un pozo.

3. Extracción

Aunque en un principio se empleó el método de percusión, cuando los pozos petrolíferos estaban situados a poca profundidad y bajo rocas de gran dureza, dicha técnica desde mediados del siglo XX dejó paso al método de rotación, ya que la mayor parte del petróleo se ha determinado que se encuentra a una profundidad de entre 900 y 5.000 metros, aunque hay pozos que llegan a los 7.000 u 8.000 metros.

Método de rotación

Consiste en un sistema de tubos acoplados unos a continuación de otros que, impulsados por un motor, van girando y perforando hacia abajo. En el extremo se halla una broca o trépano con dientes que rompen la roca, cuchillas que la separan y diamantes que la perforan, dependiendo del tipo de terreno. Además, existe un sistema de polea móvil del que se suspende el conjunto de los tubos que impide que todo el peso de los tubos –los pozos tienen profundidades de miles de metros– recaiga sobre la broca.

Encamisado

Para evitar que las paredes del pozo se derrumben durante la perforación y, al mismo tiempo, la estructura de los estratos del subsuelo permanezca inalterada, según se va perforando el pozo, éste va siendo recubierto mediante unas paredes –o camisas– de acero de un grosor de entre 6 y 12 milímetros.

Aprovechamiento del yacimiento

Los cálculos realizados históricamente permiten afirmar que habitualmente una bolsa de petróleo sólo suele ser aprovechada entre un 25% y un 50% de su capacidad total. El petróleo suele estar acompañado en las bolsas por gas. Ambos, por la profundidad a la que se hallan, están sometidos a altas presiones–el gas, por esa circunstancia, se mantiene en estado líquido–. Al llegar la broca de perforación, la rotura de la roca impermeable provoca que la presión baje, por lo que, por un lado, el gas deja de estar disuelto y se expande y el petróleo deja de tener el obstáculo de la roca impermeable y suele ser empujado por el agua salada que impregna generalmente la roca porosa que se encuentra por debajo de la bolsa de petróleo. Estas dos circunstancias hacen que el petróleo suba a la superficie.

Bombeo del petróleo

Sin embargo, llega un momento en que la presión interna de la bolsa disminuye hasta un punto en que el petróleo deja de ascender solo -y, por otro lado, el gas, cada vez menor, deja de presionar sobre el crudo–, por lo que hay que forzarlo mediante bombas para que suba. Este bombeo se realiza hasta el momento en que el coste del sistema de extracción es mayor que la rentabilidad que se obtiene del petróleo, por lo que el pozo es abandonado.
Inyección de agua

Para aumentar la rentabilidad de un yacimiento se suele utilizar un sistema de inyección de agua mediante pozos paralelos. Mientras que de un pozo se extrae petróleo, en otro realizado cerca del anterior se inyecta agua en la bolsa, lo que provoca que la presión no baje y el petróleo siga siendo empujado a la superficie, y de una manera más rentable que las bombas.

Este sistema permite aumentar la posibilidad de explotación de un pozo hasta, aproximadamente, un 33% de su capacidad. Dependiendo de las características del terreno, esta eficiencia llega al 60%.

Inyección de vapor

En yacimientos con petróleo muy viscoso (con textura de cera) se utiliza la inyección de vapor, en lugar de agua, lo que permite conseguir dos efectos:

1) Por un lado, se aumenta, igual que con el agua, la presión de la bolsa de crudo para que siga ascendiendo libremente.
2) Por otro, el vapor reduce la viscosidad del crudo, con lo se hace más sencilla su extracción, ya que fluye más deprisa.

Extracción en el mar

El avance en las técnicas de perforación ha permitido que se puedan desarrollar pozos desde plataformas situadas en el mar (off-shore), en aguas de una profundidad de varios cientos de metros.

En ellos, para facilitar la extracción de la roca perforada se hace circular constantemente lodo a través del tubo de perforación y un sistema de toberas en la propia broca.

Con ello, se han conseguido perforar pozos de 6.400 metros de profundidad desde el nivel del mar, lo que ha permitido acceder a una parte importante de las reservas mundiales de petróleo.
4. Transporte
Normalmente, los pozos petrolíferos se encuentran en zonas muy alejadas de los lugares de consumo, por lo que el transporte del crudo se convierte en un aspecto fundamental de la industria petrolera, que exige una gran inversión, tanto si el transporte se realiza mediante oleoductos, como si se realiza mediante buques especiales denominados “petroleros”.

Al principio de la industria petrolífera, el petróleo generalmente se refinaba cerca del lugar de producción. A medida que la demanda fue en aumento, se consideró más conveniente transportar el crudo a las refinerías situadas en los países consumidores.

Por este motivo, el papel del transporte en la industria petrolífera es muy importante. Hay que tener en cuenta que, según los últimos datos publicados en el BP Statistical Review of World Energy June 2007, Europa importa el 68,5% de sus necesidades y Japón, el 99%.

Los países que se autoabastecen también necesitan disponer de redes de transporte eficaces, puesto que sus yacimientos más importantes se encuentran a millares de kilómetros de los centros de tratamiento y consumo, como ocurre en Estados Unidos, Rusia, Canadá o América del Sur.

En Europa, el aprovisionamiento de zonas industriales alejadas del mar exige el equipamiento de puertos capaces de recibir los superpetroleros de 300.000 y 500.000 Tm de carga, almacenamientos para la descarga y tuberías de conducción de gran capacidad.

MEDIOS DE TRANSPORTE
Aunque todos los medios de transporte son buenos para conducir este producto (el mar, la carretera, el ferrocarril o la tubería), el petróleo crudo utiliza sobretodo dos medios de transporte masivo: los oleoductos de caudal continuo y los petroleros de gran capacidad.

Los otros medios de transporte (barcos de cabotaje, gabarras, vagones cisterna o camiones cisterna, entre otros) se utilizan, salvo casos excepcionales, como vehículos de distribución de productos terminados derivados del petróleo.

En la actualidad no hay en el comercio internacional mercancía individual cuyo transporte supere en volumen o valor al del petróleo.
La ventaja del petróleo es que su fluidez permite el transporte a granel, lo que reduce los gastos al mínimo y permite una automatización casi completa del proceso. Gracias a los adelantos técnicos de hoy en día, basta en muchos casos con hacer la conexión de tuberías y proceder a la apertura o cierre de válvulas, muchas veces de forma automática y a distancia con telecontrol.


Oleoductos

Un oleoducto es el conjunto de instalaciones que sirve de transporte por tubería de los productos petrolíferos líquidos, en bruto o refinados. El término oleoducto comprende no sólo la tubería en sí misma, sino también las instalaciones necesarias para su explotación: depósitos de almacenamiento, estaciones de bombeo, red de transmisiones, conexiones y distribuidores, equipos de limpieza, control medioambiental, etc.

El diámetro de la tubería de un oleoducto oscila entre 10 centímetros y un metro. Los oleoductos de petróleo crudo comunican los depósitos de almacenamiento de los campos de extracción con los depósitos costeros o, directamente, con los depósitos de las refinerías.

En los países que se suministran de crudos por vía marítima, el oleoducto asegura el enlace entre los depósitos portuarios de recepción y las refinerías del interior.

En la actualidad hay en el mundo más de 1.500.000 kilómetros de tubería destinados al transporte de crudos y de productos terminados, de los cuales el 70 por ciento se utilizan para gas natural, el 20 por ciento para crudos y el 10 por ciento restante para productos terminados (carburantes).

Los Estados Unidos tienen la red de oleoductos más densa del mundo. En Europa existen cinco grandes líneas de transporte de crudo que, partiendo de los terminales marítimos de Trieste, Génova, Lavera, Rotterdam y Wilhelnshaven, llevan el petróleo a las refinerías del interior. Esta red es de 3.700 kilómetros, una extensión que se queda pequeña si se compara con los 5.500 kilómetros del oleoducto del Comecón o de la Amistad, que parte de la cuenca del Volga-Urales (600 kilómetros al este de Moscú) y que suministra crudo a Polonia, Alemania, Hungría y otros países centro europeos.
Cómo funciona un oleoducto
El petróleo circula por el interior de la conducción gracias al impulso que proporcionan las estaciones de bombeo, cuyo número y potencia están en función del volumen a transportar, de la viscosidad del producto, del diámetro de la tubería, de la resistencia mecánica y de los obstáculos geográficos a sortear. En condiciones normales, las estaciones de bombeo se encuentran situadas a 50 kilómetros unas de otras.

El crudo parte de los depósitos de almacenamiento, donde por medio de una red de canalizaciones y un sistema de válvulas se pone en marcha la corriente o flujo del producto. Desde un puesto central de control se dirigen las operaciones y los controles situados a lo largo de toda la línea de conducción. El cierre y apertura de válvulas y el funcionamiento de las bombas se regulan por mando a distancia.

Una gran obra de ingeniería
La construcción de un oleoducto supone una gran obra de ingeniería y por ello, en muchos casos, es realizada conjuntamente por varias empresas. También requiere de complicados estudios económicos, técnicos y financieros con el fin garantizar su operatividad y el menor impacto posible en el medio ambiente.

El trazado debe ser recto en la medida de lo posible y, normalmente, la tubería es enterrada en el subsuelo para evitar los efectos de la dilatación. Los conjuntos de tubos se protegen contra la corrosión exterior antes de ser enterrados. Las tuberías se cubren con tierra y el terreno, tras el acondicionamiento pertinente, recupera su aspecto anterior.
Petroleros

Los petroleros son los mayores navíos de transporte que existen hoy en día en el mundo. Son inmensos depósitos flotantes que pueden llegar a medir 350 metros de largo (eslora) y alcanzar las 250.000 toneladas de peso muerto (TPM).

Actualmente se transportan por mar más de mil millones de toneladas de crudo al año en todo el mundo.

El petrolero es el medio más económico para transportar petróleo a grandes distancias y tiene la ventaja de una gran flexibilidad de utilización. Su principal característica es la división de su espacio interior en cisternas individuales, lo que permite separar los diferentes tipos de petróleo o sus productos derivados.

5. Refino y Obtención de Productos
El petróleo, tal como se extrae del yacimiento, no tiene aplicación práctica alguna. Por ello, se hace necesario separarlo en diferentes fracciones que sí son de utilidad. Este proceso se realiza en las refinerías.

Una refinería es una instalación industrial en la que se transforma el petróleo crudo en productos útiles para distintas aplicaciones energéticas o de otro tipo. El conjunto de operaciones que se realizan en las refinerías para conseguir estos productos se denominan “procesos de refino”.

La industria del refino tiene como finalidad obtener del petróleo la mayor cantidad posible de productos de calidad bien determinada, que van desde los gases ligeros, como el propano y el butano, hasta las fracciones más pesadas, fuelóleo y asfaltos, pasando por otros productos intermedios como las gasolinas, el gasoil, aceites lubricantes y las naftas.

El petróleo bruto contiene todos estos productos en potencia porque está compuesto casi exclusivamente de hidrocarburos, cuyos dos elementos son el carbón y el hidrógeno. Ambos elementos al combinarse entre sí pueden formar infinita variedad de moléculas.

Los procesos de refino dentro de una refinería se pueden clasificar, por orden de realización y de forma general, en destilación, conversión y tratamiento. Antes de comenzar este proceso se realiza un análisis de laboratorio del petróleo, puesto que no todos los petróleos son iguales, ni de todos se pueden extraer las mismas sustancias. A continuación se realizan una serie de refinados “piloto” donde se experimentan a pequeña escala todas las operaciones de refino. Una vez comprobados los pasos a realizar, se inicia el proceso.

Destilación
La destilación es la operación fundamental para el refino del petróleo, es una operación física, pues no se producen cambios en la composición química del petróleo sino que su objetivo es conseguir, mediante calor, separar los diversos componentes del crudo. Cuando el crudo llega a la refinería es sometido a un proceso denominado “destilación fraccionada”. En éste, el petróleo calentado es alimentado a una columna, llamada también “torre de fraccionamiento o de destilación”.

El petróleo pasa primero por un calentador, en el que alcanza una temperatura de 370ºC y posteriormente es introducido en una torre, donde comienza a circular y a evaporarse. De esta forma se separan los productos ligeros y los residuos.

PROCESOS DE REFINO

Los hidrocarburos con menor masa molecular son los que se vaporizan a temperaturas más bajas y a medida que aumenta la temperatura se van evaporando las moléculas más grandes.

Las fracciones más ligeras del crudo, como son los gases y la nafta, ascienden hasta la parte superior de la torre. A medida que descendemos, nos encontramos con los productos más pesados: el queroseno, gasoil ligero, gasoil pesado. En último lugar, se encuentra el residuo atmosférico de fuelóleo.

La destilación es continua: el crudo calentado entra en la torre y las fracciones separadas salen a los diferentes niveles. Esta operación, no obstante, sólo suministra productos en bruto que deberán ser mejorados (convertidos) para su comercialización, dado que los procesos de destilación no rinden productos en la cantidad ni calidad demandadas por el mercado.

En cuanto a la cantidad, las fracciones obtenidas deben estar distribuidas de forma que puedan hacer frente a las necesidades de las distintas épocas del año. En invierno, las necesidades de gasóleos y fuelóleos para calefacción serán superiores a las del verano, donde prima la producción de gasolinas y gasolinas auto.

Conversión

Para hacer más rentable el proceso de refino y adecuar la producción a la demanda, es necesario transformar las distintas fracciones, utilizando técnicas de conversión. Los principales procedimientos de conversión son el “cracking” y el “reformado”. Son operaciones químicas, porque cambia la composición (es decir, se producen variaciones en las moléculas) de la fracción que alimenta cada proceso.

Los procedimientos de “cracking” o craqueo consisten en un ruptura molecular y se pueden realizar, en general, con dos técnicas: el craqueo térmico, que rompe las moléculas mediante calor, o el craqueo catalítico, que realiza la misma operación mediante un catalizador, que es una sustancia que causa cambios químicos sin que ella misma sufra modificaciones en el proceso. La ventaja de los catalizadores es que, en general, permiten obtener resultados similares al cracking técnico pero utilizando menos energía.

Las técnicas de conversión también se pueden aplicar a componentes más ligeros. Este es el caso del “reformado”. Gracias a este proceso, la nafta puede convertirse en presencia de platino (que actúa como catalizador), en componentes de alta calidad para las gasolinas.

Tratamiento

En general, los productos obtenidos en los procesos anteriores no se pueden considerar productos finales. Antes de su comercialización deben ser sometidos a diferentes tratamientos para eliminar o transformar los compuestos no deseados que llevan consigo. Estos compuestos son, principalmente, derivados del azufre.

Con este último proceso de eliminación, las refinerías obtienen productos que cumplen con las normas y especificaciones del mercado. El proceso de craqueo catalítico, antes mencionado, permite la producción de muchos hidrocarburos diferentes que luego pueden recombinarse mediante la alquilación, la isomerización catalítica para reformar o fabricar productos químicos y combustibles de elevado octanaje para motores.

La utilización de algunos de estos productos ha dado origen a una gigantesca industria petroquímica que produce alcoholes, detergentes, caucho sintético, glicerina, fertilizantes, azufre, disolventes, materias primas para fabricar medicinas, nailon, plásticos, pinturas, poliésteres, aditivos y complementos alimenticios, explosivos, tintes y materiales aislantes, así como otros componentes para la producción de abonos. Estas plantas son instalaciones que dependen de la refinería para su abastecimiento, pero de funcionamiento separado, suelen estar situadas en las proximidades de las refinerías. Las plantas de tratamiento más usuales son: MTBE, para mejorar la calidad de la gasolina, alquilación, para sustituir los derivados de plomo, e isomerización, para obtener productos de alto índice de octano que son utilizados para las gasolinas.

PORCENTAJES DE LOS DISTINTOS PRODUCTOS REFINADOS

En EE.UU., en 1920, un barril de crudo, que contiene 159 litros, producía 41,5 litros de gasolina, 20 litros de queroseno, 77 litros de gasoil y destilados y 20 litros de destilados más pesados.

Hoy un barril de crudo produce 79,5 litros de gasolina, 11,5 de combustible para reactores, 34 litros de gasoil y destilados, 15 litros de lubricantes y 11,5 litros de residuos más pesados.

DISTRIBUCIÓN DE LOS PRODUCTOS DERIVADOS DEL PETRÓLEO
Los productos derivados del petróleo alimentan no sólo a otras industrias, sino, sobre todo, a los consumidores industriales o privados. Al principio resultaba más económico situar las refinerías junto a las explotaciones petrolíferas, mientras que ahora, los progresos realizados en la técnica de los oleoductos han dado lugar a una evolución que conduce a instalar las refinerías cerca de los grandes centros de consumo.

Una vez obtenidos los derivados petrolíferos, las empresas deben distribuir sus productos a los clientes. En general, estos productos salen de las refinerías a granel, aunque algunos se envasan en latas o bidones, listos para su uso. Los grandes consumidores, como las eléctricas o las industrias químicas, reciben el suministro directamente de la refinería, por oleoducto o por carretera. Los consumidores de menos cantidades son abastecidos, generalmente, desde centros de almacenamiento y distribución.

Aunque los derivados del petróleo forman una gama muy variada, el 90% de ellos se destinan a satisfacer las necesidades energéticas del mundo. Es decir, estamos hablando de los combustibles.
Principales productos derivados del petróleo
Otros derivados
  • Aceites (lubricantes, grasas)
  • Asfaltos (para carreteras, pistas deportivas)
  • Aditivos (para mejorar combustibles líquidos y lubricantes)


6. Almacenamiento

Para evitar cortes o problemas en el proceso de suministro de petróleo y con el fin de asegurar un abastecimiento abundante y regular de las industrias y de los consumidores, son necesarias grandes instalaciones de almacenamiento o depósito, bien sea en los terminales, en los puertos o en las mismas refinerías. El almacenamiento debe quedar asegurado en cada etapa del camino recorrido por el petróleo, desde el pozo de extracción hasta el surtidor de gasolina o la caldera.
Tipos de Almacenamiento:

Almacenamiento del crudo

Una refinería no se abastece normalmente directamente a partir del yacimiento de petróleo, dado que en entre uno y otro punto suele producirse un transporte intermedio por buque cisterna (petroleros) o por oleoducto. Por ello, el crudo (petróleo bruto) se almacena tanto en el punto de embarque como en el del desembarque. Las capacidad de este almacenamiento de cabeza de línea suele contener un stock de petróleo bruto de cinco días como media, que garantice la carga de los petroleros que llegan al puerto o, en su caso, los métodos de explotación de los oleoductos.
Almacenamiento en la refinería

Las refinerías disponen de numerosos depósitos al comienzo y al final de cada unidad de proceso para absorber las paradas de mantenimiento y los tratamientos alternativos y sucesivos de materias primas diferentes. Asimismo, para almacenar las bases componentes de otros productos terminados que se obtienen a continuación por mezcla, y para disponer de una reserva de trabajo suficiente con el fin de hacer frente a los pedidos y cargamentos de materia prima que les llegan.

Almacenamiento de distribución

Solamente una pequeña parte de los consumidores puede ser abastecida directamente, es decir por un medio de transporte que una de forma directa al usuario con la refinería. Por este motivo, es más eficaz y económico construir un depósito-pulmón, terminal de distribución, surtido masivamente por el medio de transporte que viene de la refinería, ya sean oleoductos de productos terminados, buques (para depósitos costeros), barcazas fluviales, vagones cisterna o camiones cisterna. Estos depósitos suelen estar ubicados cerca de los grandes centros de consumo (ciudades, polígonos industriales, etc.). Desde estos depósitos, salen camiones de distribución que llevan el producto al consumidor final.

Almacenamiento de reserva

Tras la crisis de 1973 (segunda guerra árabe-israelí) que provocó el racionamiento de la gasolina en algunos países de Europa Occidental, un gran número de estos países aprobaron normas legales para regular la existencia de reservas estratégicas de petróleo.

De esta forma, en algunos países las compañías petroleras están obligadas a poseer en todo momento una cantidad de producto que garantice el consumo del mercado interno durante un tiempo mínimo determinado. Este stock de reserva se almacena tanto en los depósitos de las terminales portuarias de las refinerías como en los almacenes de distribución; se mide en días de consumo en condiciones normales y suele superar los 90 días.



Reservas Mundiales de Petróleo

A finales de 2006, las reservas mundiales probadas de petróleo ascendían a 164.500 millones de toneladas, equivalentes a 1, 21 billones de barriles.

Por países, el 79,5% de esas reservas se encuentran en los 11 países pertenecientes a la Organización de Países Productores de Petróleo (OPEP) –Arabia Saudí, Argelia, Emiratos Árabes Unidos, Indonesia, Irak, Irán, Kuwait, Libia, Nigeria, Qatar y Venezuela–. El 6,6 % del total mundial se encuentra en países pertenecientes a la OCDE (Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico), formada por 30 países entre los que se encuentran los económicamente más potentes del mundo. El resto, un 13,9%, está repartido en los demás países del mundo.

Esto quiere decir que el 83,9 % de las reservas actualmente existentes de petróleo en el mundo se encuentran en esos 12 países.



Por zonas
En el siguiente gráfico se expresan las reservas mundiales de crudo por zonas geográficas:

Es decir, que dos tercios de las reservas mundiales de petróleo se encuentran en Oriente Medio.

Sin embargo, el porcentaje que consume cada zona no tiene nada que ver con sus reservas:



Producción


Duración de las reservas mundiales de petróleo
El dato sobre la producción de barriles de petróleo es de gran importancia en tanto en cuanto permite averiguar la duración de las reservas mundiales si no se efectuasen nuevos descubrimientos.

De esta forma, si la producción de petróleo siguiera en el futuro al mismo ritmo que en 2006, las reservas mundiales –salvo que se encontrasen nuevos yacimientos– durarían 40,5 años. En los últimos 30 años, la capacidad máxima de reservas de petróleo se alcanzó en 1989, cuando se estimó que éstas durarían aproximadamente 44 años más.

Los dos siguientes cuadros muestran la evolución de la duración de las reservas mundiales de petróleo en el mundo en el período 1982- 2006 (cuadro de la izquierda) y la duración estimada de las reservas por zonas en el año 2006 (cuadro de la derecha). En 2006 descendió ligeramente la capacidad de reservas mundiales. En la última década el ratio reservas /producción de petróleo se mantuvo en términos estables, aunque con un ligero descenso (40,5 en 2006 y 41 en 1996).




Importancia Económica del Petróleo

El petróleo es la fuente de energía más importante de la sociedad actual. El transporte en todo el mundo depende de los carburantes derivados del petróleo.

La Organización de Países Exportadores de Petróleo (OPEP) fue creada en 1960, con sede en Viena. Nació de unas reuniones en Bagdad entre los países árabes productores y exportadores más Venezuela para agruparse y, de este modo, establecer una política común a la hora de fijar un precio y unas cuotas de producción para el petróleo, aunque recientemente haya perdido la fuerza que tenía en los años de la gran crisis surgida del conflicto en Oriente Medio en 1974.

En su fundación participaron Irán, Kuwait, Arabia Saudí, Qatar, Irak, Venezuela, Libia e Indonesia. Posteriormente han ingresado Argelia, Nigeria, Emiratos Árabes Unidos, Ecuador (aunque después abandonó la organización) y Gabón.

La OPEP controla aproximadamente dos tercios de la exportación mundial de petróleo.

Aunque en sus comienzos no tuvo la fuerza suficiente para hacer frente a la política de las multinacionales, a partir de 1971 la OPEP decidió nacionalizar las empresas de explotación situadas en su territorio, y en 1973 inició importantes subidas en los precios.

A partir de entonces, la OPEP ocupó el primer plano de la actividad económica mundial, porque sus decisiones en materia de precios afectan directamente a las economías occidentales.

Otros países productores

También hay otros países productores de petróleo a los que se les llama “independientes”, entre los que destacan el Reino Unido, Noruega, México, Rusia y Estados Unidos. Este último es el mayor consumidor de petróleo, pero al mismo tiempo es uno de los grandes productores.
Una economía dependiente en gran medida del petróleo
  • El petróleo y su gama casi infinita de productos derivados le convierten en uno de los factores más importantes del desarrollo económico y social en todo el mundo.
  • El petróleo y las decisiones estratégicas que sobre él se toman por los países productores influyen en casi todos los componentes de coste de una gran parte de los productos que consumimos. Cuando sube el precio del petróleo se produce una subida de los costes, de forma más o menos inmediata, en casi todos los sectores productivos y, en consecuencia, se nota en los precios de los bienes de consumo.
  • La extracción y producción de petróleo está en manos de unos pocos países productores y es controlada por los denominados carteles (OPEP), quienes con sus decisiones influyen en los distintos mercados en los que se fijan los precios mínimos del crudo.
  • Por todo ello, es muy importante el impacto del petróleo en la economía mundial y en las de los diferentes países que dependen en gran medida de esta materia prima.
LOS PRECIOS DEL CRUDO

La volatilidad de los precios del petróleo crudo ha sido y es una característica intrínseca a la historia reciente de la comercialización de este producto. Su importancia estratégica le convierte en una “moneda de cambio” y de presión política y económica de primera magnitud.

Así, mientras que el precio del barril de petróleo brent (denominación del crudo que se toma como referencia en el mercado europeo) en el año 2006 fue de 65,14 dólares barril, frente a los 54,52 dólares barril en el año 2005.

Estas subidas y bajadas de los precios son producidas por muy diversos factores, pero los más importantes son las decisiones políticas de los países productores, los conflictos sociales o bélicos en las zonas más vinculadas a la producción de petróleo y, en ocasiones, las decisiones que puedan tomarse en determinados foros financieros mundiales.




Datos del Petróleo en España

España es un país con muy escasos yacimientos de crudo susceptibles de explotar y, por tanto, tiene que importar esta materia prima para abastecer sus mercados de consumo.

Las empresas petroleras que operan en España realizan las operaciones de exploración, refino, distribución y comercialización de productos petrolíferos, una vez que reciben el crudo que les llega de las diferentes fuentes de suministro, principalmente por vía marítima, por medio de petroleros.


Por tanto, la dependencia exterior del petróleo y del gas es el responsable del déficit energético español, que evidencia el siguiente gráfico:



El origen de nuestras importaciones es el siguiente:
España consume aproximadamente cerca de 72 millones de toneladas de productos petrolíferos ya acabados, cuya distribución es la siguiente:

El consumo de gasóleo se incrementa en los meses de invierno, por el efecto de las calefacciones, así como por el continuo proceso de dieselización del parque automovilístico, y el de gasolinas en verano, por el incremento del uso del automóvil en épocas estivales.



Nota: Debido a su calidad descriptiva (orientada al público en general), hemos transcrito la información del ciclo de vida del petróleo del Portal de la Asociación Española de Operadores de Productos Petrolíferos
http://www.aop.es/