Funcionamiento de una Central Nuclear: Caracteristicas y Partes
Funcionamiento de una Central Nuclear: Caracteristicas y Componentes
INTROUDUCCIÓN HISTÓRICA:
Un 12 de diciembre de 1942 comenzó a montarse, en Chicago, la primera pila atómica del mundo, a partir de trozos de uranio natural y óxido de uranio, separados por grafito.
Conforme se fue aumentando su tamaño, la pila comenzó a hacerse crítica y a suministrar energía.
En un principio, la potencia de su energía sólo era de medio vatio, suficiente para encender una pequeña lamparilla de linterna.
Diez días después, cuando aumentaron su diámetro a 8 metros, la potencia subió a 200 vatios.
No se continuó aumentando, debido a la peligrosidad de la radiación.
Las modernas plantas de energía nuclear son capaces de suministrar energía a razón de más de 200 millones de vatios.
Aunque el primer reactor experimental produjo una potencia que hoy calificaríamos de anormalmente baja, sirvió, al menos, para demostrar que la fisión del núcleo atómico del uranio podría suministrar energía controlable.
Unos pocos átomos de la pila se escinden, espontáneamente, en dos partes pesadas, liberando energía y fragmentos más pequeños, entre los cuales se encuentran los neutrones.
Éstos pueden ser capturados por otros núcleos de uranio y dar lugar a nuevas fisiones nucleares.
Por cada fisión se liberan varios neutrones, de tal modo que, si al menos uno de los que se producen en cada fisión es capturado, una única fisión espontánea puede dar lugar a una reacción en cadena.
Se tendría, así, una fuente de energía continua (aunque no ilimitada).
En un pequeño trozo de uranio, los neutrones se dispersan con facilidad, pues son partículas rápidas y difíciles de capturar.
Cuanto mayor sea el tamaño de la pila, más grande será el número de neutrones que no escaparán de ella y que podrán ser capturados para provocar la reacción en cadena.
Con un tamaño determinado, el número de neutrones que no escapan es justamente suficiente como para mantener la reacción a un nivel estacionario.
Entonces, se dice que la pila, o el reactor, es crítico.
Una disminución de tamaño haría que la reacción no tuviera lugar; un aumento brusco iniciaría una reacción en cadena explosiva, que escaparía al control humano.
Las bombas atómicas se basan, precisamente, en este fenómeno.
Desde 1942 se han construido reactores de muy diversos tipos.
Los primeros eran puramente experimentales.
Algunos se destinaron a la producción de plutonio, para preparar bombas atómicas.
Hacia la mitad de los años 50 comenzó a utilizarse a escala comercial el calor producido por reacciones nucleares, para calefacción y para obtener energía eléctrica.
La energía eléctrica que consumimos se producirá cada vez en mayor proporción a partir de la energía nuclear.
Actualmente, se construyen reactores pequeños, compactos, para la propulsión de barcos, submarinos y quizá también aeroplanos, cohetes y satélites artificiales.
FUNCIONAMIENTO:
Las centrales nucleares constituyen un tipo específico de instalaciones termoeléctricas; aprovechan una fuente de calor para convertir en vapor a alta temperatura un líquido que circula por una red de conductos.
El vapor acciona el grupo turbina-alternador, generando energía eléctrica.
La principal diferencia entre centrales nucleares y centrales clásicas es que, en las primeras, la fuente de calor se obtiene a partir de la fisión de núcleos de uranio.
Esquema de Funcionamiento de una Central Nuclear
(Icnografía tomada de Icarito)
La Fisión Nuclear
Con el nombre de fisión se conoce la reacción mediante la cual ciertos nucleos de elementos químicos pesados se escinden (se fisionan) en dos fragmentos como consecuencia del impacto de un neutrón.
El resultado es la liberación de gran cantidad de energía que se manifiesta en forma de calor.
Los neutrones emitidos en la reacción de fisión pueden provocar, a su vez, nuevas fisiones de otros núcleos, siempre que se den determinadas condiciones.
El proceso se conoce como reaccción nuclear en cadena.
Los descubridores de la reacción nuclear de fisión fueron O. Hahn y F. Strassman, que, en 1938, detectaron la presencia de elementos pequeña masa en una muestra de uranio puro irradiada por neutrones.
Los Reactores
Los reactores nucleares son máquinas preparadas para iniciar, mantener y controlar una reacción en cadena de fisión nuclear; en cierto sentido, son las «calderas» de las centrales nucleares.
El combustible que se consume en las centrales nucleares es el uranio.
A diferencia de lo que ocurre en las instalaciones termoeléctricas convencionales en las primeras no se produce reacción de combustión química alguna.
El conjunto de núcleo del reactor está contenido en un recipiente de acero de varios metros de diámetro y cuya altura supera, generalmente, los 12 m.
Las paredes de la denominada vasija del reactor alcanzan espesores de 25 o 30 cm.
La vasija del reactor y el conjunto de conductos por donde circula el líquido refrigerante, denominado circuito primario se encuentran en el edificio de contención, provisto de espesos muros preparados resistir hipotéticos movimientos sísmicos y evitar el escape de radiactividad en caso de accidente. Su forma suele ser esférica y está rematado por una cúpula.
ELECCIÓN DEL COMBUSTIBLE
El uranio natural consta, principalmente, del isótopo de peso atómico 238 (uranio 238). Pero un átomo de cada 140 es de un isótopo más ligero: uranio 235.
Éste se divide en dos cuando captura un neutrón, liberando energía y varios neutrones.
El uranio 238 absorbe neutrones, pero no se escinde; a veces, el neutrón absorbido pasa a formar parte del núcleo, trasformándolo en el de otro elemento: el neptunio.
Eventualmente, tras una desintegración se convierte en el núcleo del plutonio.
Éste puede experimentar una fisión, es decir, puede romperse, liberando energía. No obstante, el uranio 238 suele limitarse a absorber los neutrones, que, de otro modo, llevarían adelante la reacción en cadena.
Con ello, el uranio 235 se ve privado de los neutrones que podrían activarlo.
Luego, el uranio 238 constituye un estorbo en la mayor parte de los reactores; en cambio, el isótopo 235 es el que provoca y mantiene la reacción en cadena.
Existen dos tipos principales de reactores: el rápido y el térmico.
En cada uno de ellos se practican distintos métodos para impedir que el uranio 238 frene la reacción.
El primer reactor nuclear de 200 vatios era térmico; en él, los neutrones rápidos, procedentes de una fisión nuclear, se veían frenados por un moderador (barras de grafito).
El grafito no captura los neutrones, pero los frena; los neutrones lentos (cuya velocidad corresponde a la temperatura del medio en que se encuentran) reciben el nombre de neutrones térmicos.
El uranio 238 no absorbe los neutrones térmicos, mientras que la probabilidad de captura de los neutrones por el uranio 235 es mayor para los térmicos que para los rápidos.
La mayor parte de los reactores empleados para la producción de energía eléctrica, a escala industrial, son reactores térmicos.
En los reactores rápidos se emplea uranio como combustible, pero con una mayor proporción del 235.
No se emplea moderador para frenar los neutrones.
Al aumentar la proporción de uranio 235 pueden tener lugar más fisiones nucleares, que compensan la absorción por parte del 238.
Éste absorbe, con facilidad, los neutrones rápidos, siempre que sean lo suíicientemente energéticos (rápidos) como para convertir el uranio 238 en plutonio.
Los reactores rápidos se emplean en la producción de energía y en la producción de nuevo combustible.
De hecho, producen más combustible del que consumen.
Esto no supone, como a primera vista parece, una violación de las leyes de conservación de la masa y la energía; lo que ocurre es que parte de la energía de fisión del uranio 235 se utiliza para convertir en plutonio (átomo fisible) el 238.
Los reactores térmicos son mayores que los rápidos, porque éstos no llevan moderador.
Las estructuras internas de estos reactores son distintas, ya que el reactor rápido es mucho más caliente que el térmico.
Componentes de una central nuclear
Como decíamos antes el combustible de la central nuclear, que se encuentra en el núcleo del reactor está formado, habitualmente, por una mezcla de isótopos fisionables e isótopos.
Dicho combustible ha de ser un elemento fisionable que, en ausencia de neutrones se mantenga estable el mayor tiempo posible, para que pueda ser manipuleado el uranio-233, el uranio-235 y el plutonio-239 son los tres isótopos que cumplen esta condición.
Entre ellos, únicamente el uranio-235 se halla presente en la naturaleza (aunque en muy baja proporción: el 0,7% del uranio natural); los otros dos se obtienen de manera artificial, a partir del bombardeo con neutrones del uranio-238 y del torio-232, denominados isótopos fértiles.
Por su parte, estos dos últimos son isótopos fisionables con neutrones rápidos.
Los neutrones que resultan liberados como consecuencia de la reacción de fisión sufrida por los elementos fisionables pueden golpear, a su vez, a los elementos fértiles, los que, por su parte, dan lugar a nuevos elementos fisionables.
En función del tipo de reactor que posea la central nuclear se empleará una clase u otra de combustible.
Los más comunes son uranio natural, óxido de uranio natural y óxido de uranio enriquecido en su isótopo 235U.
Habitualmente, el combustible se presenta en forma de pastillas incorporadas en el interior de vainas de acero inoxidable, de 1 cm. de diámetro y 4 o 5 m de longitud.
Las vainas forman conjuntos de sección cuadrada o circular, denominados elementos de combustible.
El moderador es otro de los elementos básicos de la central nuclear; se trata de un mecanismo que controla la velocidad con que los neutrones impactan en nuevos núcleos de uranio.
La presencia de determinadas sustancias, como el agua pesada, el berilio, el grafito o el agua ligera aseguran este proceso.
El berilio es el menos empleado, debido a su elevada toxicidad.
El tercer componente fundamental son las barras de control, que se encuentran en el núcleo del reactor.
Las barras de control permiten regular el nivel de potencia de aquél.
La potencia del reactor depende del calor generado en su núcleo, que se encuentra, a su vez, en relación con el número de neutrones que se ponen en acción durante la reacción de fisión en cadena.
Cuanto menor es el número de neutrones menor es la energía calorífica y, consecuentemente, la potencia.
Si no se actúa sobre el número de neutrones que se ponen en acción durante la reacción en cadena se logra el efecto contrario.
Para regular el número de neutrones, se insertan en el núcleo determinadas sustancias que los absorben parcialmente; dichas sustancias reciben el nombre de barras de control del reactor.
Cuando las barras se encuentran totalmente introducidas en el núcleo del reactor, la absorción de neutrones intensa que el proceso de reacción en cadena no continúa.
A la inversa, que se van retirando, el número de neutrones que se ponen en acción se incrementa, consiguiéndose así el restablecimiento de la reacción en cadena.
Generalmente las barras de control se fabrican a partir de la aleación de cadmio con plata, se incorporan berilio y aluminio, con el objetivo de incrementar su resistencia su resistencia a la corrosión.
Es también habitual la aleación de boro con acero.
La extracción del calor del núcleo y su transporte hasta el grupo turbo-alternador se realiza a través de un fluido refrigerante, que se encuentra también en el interior del núcleo, en contacto con los elementos de combustible, el moderador y las de control.
El líquido refrigerante traslada el calor generado en el núcleo, de ra directa o bien a través de un circuito secundario, hasta el conjunto turbina-alternador, retornando posteriormente al núcleo del reactor, donde comienza nuevamente y el proceso.
Como refrigerantes más habituales hay que mencionar el agua ligera, el agua pesada, el Sodio, el litio y el potasio (todos ellos líquidos), así como el nitrógeno, el helio, el hidrógeno y el dióxido de carbono (entre los gaseosos).
OTRAS INSTALACIONES
Junto al edificio de contención, las centrales nucleares poseen instalaciones destinadas a operaciones concretas.
El edificio de turbinas contiene el grupo o grupos turbina-alternador.
En las centrales con sistemas de refrigeración integrados por un único circuito, el edificio está protegido, puesto que el vapor que mueve los alabes de la turbina puede arrastrar elementos radiactivos.
Los reactores provistos de dos circuitos de refrigeración no precisan de este control, dado que el líquido del circuito secundario no entra en contacto con el refrigerante del reactor y, consecuentemente, no transporta elementos radiactivos.
En el recinto de manipulación de combustible se almacenan las nuevas cargas de este elemento así como combustible ya empleado, que, posteriormente, se traslada al centro de reprocesamiento para extraer de él los materiales aprovechables.
Este edificio y el de contención están interconectados para asegurar el traslado de elementos radiactivos sin salir de la zona controlada de la central, que se encuentra aislada de las restantes de dependencias.
Las centrales nucleares cuentan, asimismo, con un sistema que permite refrigerar el vapor a alta temperatura que acciona los alabes de la turbina antes de que éste retorne al reactor, donde se reinicia el ciclo productivo.
Finalmente, existen en una planta nuclear edificios de salvaguardia y equipos auxiliares, donde se los sistemas de emergencia (para los casos de avería) y los sistemas auxiliares propiamente dichos (recarga del combustible, puesta en marcha del reactor, etc.
dependencias destinadas al tratamiento de aguas y al almacenamiento temporal de residuos, laboratorios, talleres y un parque eléctrico propio —empleado para las operaciones de parada segura del reactor en casos de emergencia— completan las instalaciones y edificios de una central nuclear.
Funcionamiento de una central nuclear
Una vez que se ha realizado la carga de combustible en el reactor se inicia la reacción de fisión en cadena mediante un isótopo generador de neutrones, que permite la entrada en actividad de los átomos de uranio contenidos en el combustible.
El moderador proporciona a los neutrones el nivel de energía cinética que garantiza la Continuidad de la reacción en cadena. Las barras de control se introducen en el núcleo del reactor en mayor o menor medida, para absorber más o menos neutrones y mantener el grado de Potencia adecuado.
Las continuas reacciones de fisión que se verifican en el núcleo determinan grandes cantidades de energía en forma de calor.
Esta energía calorífica eleva la temperatura del fluido refrigerante que circula por la red de conductores
A partir de aquí, en función del tipo de reactor, el proceso varía.
En los reactores de agua a presión, el fluido (agua ligera) circula de manera continua por un circuito primario cerrado, que conduce el refrigerante hasta el generador de vapor.
Allí, el fluido a elevada temperatura convierte en vapor el agua que circula por un circuito secundario también cerrado.
El agua del primer circuito no entra nunca en contacto con la del segundo.
Por su parte, el vapor de agua del circuito secundario es enviado al grupo o grupos turbina-alternador
En los reactores de agua en ebullición sólo existe un circuito; el propio refrigerante se convierte en vapor por efecto del calor, en la misma vasija, y es enviado al grupo turbina-alternador tras accionarlo, el fluido se refrigera y se condensa de nuevo, para volver al núcleo y reiniciar el proceso.
En ambos casos, el vapor mueve los alabes , la turbina y el alternador unido a ella generando energía eléctrica como resultado de un ciclo termodinámico convencional.
En los reactores de agua a presión, el fluido refrigerante, una vez que ha vaporizado el agua del circuito secundario, retorna al núcleo del reactor
El vapor, tras accionar el grupo turbina-alternador es enfriado nuevamente y vuelve a su estado líquido, para pasar inmediatamente por una batería de precalentadores.
A continuación retorna al generador de vapor, para repetir el ciclo.
V
PARA SABER MAS...
ELECCIÓN DEL REFRIGERANTE
El refrigerante absorbe el calor para cederlo en un cambiador de calor, donde, si lo que se pretende es obtener energía eléctrica, se calienta un vapor para accionar los generadores eléctricos.
El refrigerante se hace circular para que, después de haber entregado el calor, vuelva al reactor, a calentarse nuevamente y repetir el ciclo.
Conviene usar el mismo refrigerante una y otra vez, porque se contamina de radiactividad, y el manejo de sustancias contaminadas resulta bastante costoso.
Como refrigerante, suele utilizarse el anhídrido carbónico, pero el uso del agua y del agua pesada es también frecuente. Todos estos productos pueden emplearse en reactores térmicos.
Los reactores rápidos plantean problemas de refrigeración algo mayores.
El reactor es, de por sí, compacto; hay poco espacio para el refrigerante, y éste debe ser de mayor capacidad térmica (aptitud para almacenar calor) y mayor conductividad térmica que los gases y líquidos utilizados en los reactores térmicos.
Para refrigerar reactores rápidos se emplean metales, como el sodio y el potasio, en estado líquido. Por su parte, estos metales plantean problemas de ingeniería, pues son muy corrosivos.
MODERADORES
Los moderadores sólo se usan en los reactores térmicos lentos. Los neutrones que salen de los núcleos de uranio 235 escindidos chocan con los átomos del moderador.
Los mejores moderadores poseen dos propiedades: no absorben neutrones (que se limitan a rebotar en los átomos del moderador) y son de sustancias relativamente ligeras.
Cuanto más ligeros son los átomos del moderador, mayor es la energía que ceden los neutrones al chocar con ellos; por tanto, serán necesarias menos colisiones con los átomos moderadores para alcanzar velocidades térmicas.
El grafito es el moderador más usado.
En algunos reactores, el combustible se disuelve en el moderador (que también actúa como refrigerante).
El combustible está formado por sulfatos o nitratos de óxido de uranio, y el refrigerante —a la vez, disolvente y moderador—, es agua o agua pesada.
CONTROL DE LA REACCIÓN
La clave de todas las reacciones nucleares en cadena reside en el flujo de neutrones.
Cuando éste aumenta, la reacción se acelera (incluso puede escapar al control); cuando disminuye, la reacción puede frenarse tan aparatosamente como en el caso anterior.
Las válvulas de seguridad de los reactores nucleares son barras de boro o cadmio. Ambas sustancias absorben neutrones.
Al introducir las barras, la reacción se frena; al sacarlas del reactor, se acelera.
Pero, en una reacción en cadena, las reacciones pueden tener lugar muy de prisa.
Si el número de neutrones que desencadenan nuevas fisiones aumenta en sólo un 1 %, se produce tal cantidad de colisiones por segundo que el número de neutrones del reactor puede aumentar 25.000 veces cada segundo.
La variación del número de neutrones debe, pues, detectarse y regularse muy rápidamente.
Tal velocidad en el aumento del número de neutrones es, virtual-mente, imposible de controlar.
De hecho, todos los reactores nucleares habrían explotado hace mucho tiempo, si no fuese por un pequeño 0,8 % de neutrones a los que les lleva algún tiempo desprenderse del núcleo escindido.
Por término medio, este 0,8 % del total de neutrones tarda 10 segundos en ser emitido, lo que deja margen suficiente para la detección y la regulación.
Ocurre, sin embargo, que existe un equilibrio entre la velocidad de los neutrones, la temperatura del reactor y la mayor o menor facilidad con que el uranio 235 absorbe mejor los neutrones lentos que los rápidos.
Cuando el reactor se calienta y los neutrones se aceleran, el uranio 235 los absorbe en menor cantidad, la reacción en cadena se detiene, el reactor se enfría, los neutrones se frenan y se restablece la situación de equilibrio.
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