4. Centrales nucleares
Importante
Una central nuclear es una central térmica en la que no existe una caldera que queme combustible, puesto que la aportación de energía térmica proviene de un reactor nuclear atómico en el que se encuentran las pastillas de combustible, generalmente uranio, que sufre reacciones de fisión liberando gran cantidad de energía.
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Imagen 21. Central nuclear de Kalipedia bajo licencia de Creative Commons.
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Las instalaciones nucleares son construcciones muy complejas tanto por la variedad de tecnologías empleadas como por la elevada seguridad con la que se les dota, ya que pueden resultar muy peligrosas si se producen escapes o si se pierde su control, ya que podrían alcanzar una temperatura a la que se fundirían los materiales del reactor.
Curiosidad
Tipos de radiaciones:
- Las radiaciones alfa (núcleos de helio) son partículas pesadas formadas por dos protones y dos neutrones, emitidas por la desintegración de átomos de elementos pesados. Dada su masa, no pueden recorrer más que un par de centímetros en el aire y pueden ser detenidas por una hoja de papel o por la epidermis.
- Las radiaciones beta están compuesta por electrones, lo que le da un mayor poder de penetración. No obstante, la radiación beta se detiene en algunos metros de aire o unos centímetros de agua, no puede atravesar una lámina de aluminio, el cristal de una ventana, una prenda de ropa o el tejido subcutáneo.
- Las radiaciones gamma es de carácter electromagnético, muy energética, y con un poder de penetración considerable. En el aire llega muy lejos, y para detenerla se hace preciso utilizar barreras de materiales densos, como el plomo o el hormigón.
- Las radiaciones X son parecidas a la gamma, pero se producen artificialmente en un tubo de vacío a partir de un material que no tiene radiactividad propia, por lo que su activación y desactivación tiene un control fácil e inmediato.
- Los neutrones generados durante la reacción nuclear, tienen mayor capacidad de penetración que los rayos gamma, y sólo pueden detenerlos una gruesa barrera de hormigón, agua o parafina. Por ello, en las aplicaciones civiles, la generación de la radiación de neutrones se limita al interior de los reactores nucleares.
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Imagen 22. Características de las radiaciones de Jesús Molina bajo licencia de copyright. |
Como ya hemos dicho, una central nuclear es una central térmica en la que la caldera para quemar el combustible es sustituída por un reactor nuclear.
Aquí aparece el esquema de una central nuclear diseñado por UNESA en el que observan todos los elementos de este tipo de central.
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| Imagen 23. Esquema de central nuclear de Unesa bajo licencia de Creative Commons. |
Como el elemento diferenciador de este tipo de centrales es el reactor, vamos a centrarnos en él.
Importante
El reactor nuclear es una instalación capaz de iniciar, mantener y controlar las reacciones de fisión en cadena, y que está dotado de los medios adecuados para transferir el calor generado.
El reactor nuclear está constituido por los siguientes elementos:
- El combustible, generalmente un compuesto de uranio, en el que tienen lugar las reacciones de fisión. Es la fuente de generación del calor.
- El moderador, que reduce la velocidad de los neutrones rápidos, convirtiéndolos en neutrones lentos o térmicos. Son moderadores el agua, el grafito y el agua pesada.
- El refrigerante, al que se transfiere el calor generado por el reactor. Generalmente actúan como refrigerantes el agua ligera y el agua pesada.
- El reflector, que reduce el escape de neutrones de la zona del combustible para disponer de mayor cantidad de éstos y así favorecer la reacción en cadena. Se usan como reflectores el agua, el grafito y el agua pesada.
- Los elementos de control, que son los que absorben neutrones, permitiendo controlar su número. Los elementos de control se presentan en forma de barras.
- El blindaje, que evita el escape de neutrones y de radiación gamma del reactor. Los materiales usados como blindaje son el hormigón, el agua y el plomo. El cierre de cualquier reactor debe ser absolutamente estanco y seguro, ya que cualquier escape podría tener consecuencias catastróficas.
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| Imagen 24. Esquema de reactor nuclear de Agrega bajo licencia de Creative Commons. |
AV - Actividad de Espacios en Blanco
Demuestra que conoces los elementos de un reactor nuclear rellenando los espacios en blanco.
El
nuclear es el elemento diferenciador de las centrales nucleares. Su función es
, mantener y
las reacciones de
en cadena.
En él se encuentra el
, que suele ser un compuesto de
, y en él tienen lugar las reacciones de fisión que aportan el
que convertirá el agua en vapor.
Para que la reacción en cadena no se descontrole hay que añadir un
. Éste reduce la
de los
rápidos, convirtiéndolos en
También existe un reflector que evita que se
neutrones de la zona del combustible.
Pero tampoco puede haber un número muy
de neutrones. Para
este número están los
que los
. Estos elementos de control se presentan en forma de
.
El reactor debe ser absolutamente
para evitar el escape de
y de
. Para ello se blinda con
, agua y plomo.
El último elemento que nos queda del reactor es el
que es el elemento al que se le transfiere el
producido en la reacción de
para que lo transmita al agua que debe convertirse en
y mover la
.
Los reactores nucleares pueden ser de agua a presión (PWR) o de agua en ebullición (BWR).
Vamos a estudiar el funcionamiento de las centrales nucleares dependiendo del tipo de reactor que incorporen.
Reactor de agua a presión (PWR)
Es el tipo de reactor más común en el mundo hay instalados mas de 230 unidades para generar energía eléctrica, y otros tantos para la propulsión naval.
La figura muestra un esquema del reactor PWR y sus partes principales:
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Imagen 25. Reactor nuclear PWR |
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El reactor está constituido por dos circuitos completamente aislados y sólo el circuito primario está en contacto con la vasija del reactor, por lo que si existiese alguna fuga de material radiactivo ésta quedaría confinada al circuito primario y no podría acceder al grupo de turbinas ni al condensador.
- El circuito primario de agua refrigera el núcleo del reactor, captando la energía liberada en las reacciones de fisión.
- El agua del circuito primario se mantiene a alta presión por lo que no se evapora y transfiere la energía térmica al circuito secundario de agua en el generador de vapor.
- Una vez generado, el vapor incide sobre el grupo de turbinas de alta y baja presión, haciéndolas girar.
- Cuando el vapor ha entregado su energía pasa por el condensador para volver a licuarse y ser de nuevo bombeada al generador de vapor tras un precalentamiento.
- El eje de las turbinas está unido al alternador produciéndose energía eléctrica.
El refrigerante es agua ligera que a su vez actúa de moderador ya que los neutrones liberados en las reacciones de fisión colisionan con los átomos de hidrógeno del agua moderando su energía cinética. Emplea como combustible 235U enriquecido.
Reactor de agua en ebullición (BWR)
La figura muestra un esquema del reactor BWR y sus partes principales.
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Imagen 26. Reactor nuclear BWR |
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En este tipo de reactor:
- El agua de alimentación entra en la vasija del reactor por la parte inferior, absorbe el calor generado debido a la fisión del combustible convirtiéndose en vapor.
- El vapor se dirige al grupo de turbinas donde entrega su energía térmica provocando el giro del eje de la turbina.
- La turbina arrastra al alternador produciendo energía eléctrica.
- A la salida de la turbina, el vapor se condensa y vuelve a alimentar el reactor después de un precalentamiento.
La ventaja de este tipo de reactores es que los costes de construcción son comparativamente bajos. El 25% de las centrales nucleares que existen son de este tipo.
El refrigerante es igual que en el caso anterior. Emplea como combustible 235U enriquecido y 239Pu.
AV - Pregunta Verdadero-FalsoIndica si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones sobre los reactores PWR y los BWR.
Tanto en el reactor PWR como en el BWR hay dos circuitos aislados.
Verdadero Falso
La principal diferencia entre un reactor PWR y uno BWR es que en el primero es agua a presión la que incide sobre las turbinas y en el segundo es agua en ebullición.
Verdadero Falso
El reactor PWR es más seguro que el BWR.
Verdadero Falso
Los reactores PWR son los más utilizados.
Verdadero Falso
Puedes ver el funcionamiento de una central nuclear en la siguiente infografía de CONSUMER EROSKI. Te dejará las cosas muy claras.
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| Animación 3. Energía nuclear de Eroski bajo licencia de Creative Commons. |
Para saber más
En estas dos páginas puedes encontrar información detallada sobre la energía nuclear y las centrales nucleares.
http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ed99-0226-01/capitulo5a.html
http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ed99-0226-01/capitulo5b.html