Centrales nucleares

¿Qué es una central nuclear?

Las centrales nucleares son las instalaciones construidas para generar electricidad a partir de la energía nuclear.

Las centrales nucleares forman parte de la familia de las centrales termoeléctricas, lo que implica que utilizan el calor para generar la energía eléctrica. Este calor proviene de la fisión de materiales como el uranio y el plutonio.

Infraestructura de una central nuclear

 La central se realiza con un diseño específico que prevé estructuras civiles adecuadas, sistemas duplicados que responden al fallo previsto de uno de ellos y coeficientes de sobredimensionamiento para resistir el sismo máximo esperable, proteger contra las radiaciones ionizantes, prevenir los accidentes posibles y mitigar sus consecuencias. Por este motivo, los edificios de una central nuclear en comparación con una convencional de similar potencia son mucho más robustos y más grandes para alojar los sistemas redundantes instalados.

Funcionamiento de una central nuclear

El funcionamiento de una central nuclear se basa en el aprovechamiento del calor para mover una turbina por la acción del vapor de agua , la cual está conectada a un generador eléctrico. Para conseguir el vapor de agua se utiliza como combustible el uranio o el plutonio.

El proceso se puede simplificar en cinco fases:

Debido a la fisión del uranio que se lleva a cabo en el reactor nuclear, se

libera una gran cantidad de energía que calienta el agua hasta

evaporarla. 

Este vapor se transporta al conjunto turbina–generador mediante un

circuito de vapor. 

Una vez ahí, las aspas de la turbina giran por la acción del vapor y

mueven el generador que trasforma la energía mecánica en electricidad. 

Una vez el vapor de agua ha pasado por la turbina, se envía a

un condensador donde se enfría y se vuelve líquido. 

Y nuevamente se transporta el agua para volver a conseguir

vapor, cerrando así el circuito del agua.

Los residuos generados por la fisión del uranio son almacenados dentro de la

propia central, en unas piscinas de hormigón especiales para materiales

radioactivos.

El esquema general de una central nuclear tipo, puede ser el siguiente:

En este esquema se observan las tres partes de una central nuclear tipo:

a. Circuito Primario, (Edificio del Reactor)b. Circuito Secundario, (Generación de electricidad)c. Circuito de Refrigeración

El principio básico del funcionamiento de una central nuclear se basa en la obtención de energía calorífica mediante la  fisión nuclear del núcleo de los átomos del combustible. Con esta energía calorífica, que tenemos en forma de vapor de agua, la convertiremos en energía mecánica en una turbina y, finalmente, convertiremos la energía mecánica en  energía eléctrica mediante un generador.

El reactor nuclear es el encargado de provocar y controlar estas fisiones atómicas que generarán una gran cantidad de calor. Con este calor se calienta agua para convertirla en vapor a alta presión y temperatura.El agua transformada en vapor sale del edificio de contención debido a la alta presión a que está sometido hasta llegar a la turbina y hacerla girar. En este momento parte de la energía calorífica del vapor se transforma en energía cinética. Esta turbina está conectada a un generador eléctrico mediante el cual se transformará la energía cinética en energía eléctrica.

Por otra parte, el vapor de agua que salió de la turbina, aunque ha perdido energía calorífica sigue estando en estado gas y muy caliente. Para reutilizar esta agua hay refrigerarla antes de volverla a introducir en el circuito. Para ello, una vez ha salido de la turbina, el vapor entra en un tanque (depósito de condensación) donde este se enfría al estar en contacto con las tuberías de agua fría. El vapor de agua se vuelve líquido y mediante una bomba se redirige nuevamente al  reactor nuclear para volver a repetir el ciclo.

Por este motivo las centrales nucleares siempre están instaladas cerca de una fuente abundante de agua fría (mar, río, lago), para aprovechar esta agua en el depósito de condensación. La columna de humo blanco que se puede ver saliendo de determinadas centrales es el vapor de agua que se provoca cuando se este intercambio de calor.

RESUMEN DEL FUNCIONAMIENTO

La central nuclear es una central termoeléctrica en la que actúa como caldera un reactor nuclear. La energía térmica se origina por las reacciones nucleares de fisión en el combustible nuclear formado por un compuesto de uranio. El combustible nuclear se encuentra en el interior de una vasija herméticamente cerrada, junto con un sistema de control de la reacción nuclear y un fluido refrigerante, constituyendo lo que se llama un reactor nuclear. El calor generado en el combustible del reactor y transmitido después a un refrigerante

se emplea para producir vapor de agua, que acciona el conjunto turbina-alternador, generando la energía eléctrica.

Video de cómo funciona:

https://youtu.be/nMZJ7ABkvRw

Combustible nuclear

El combustible nuclear es el material utilizado para la generación de energía nuclear. Se trata de un material susceptible de ser fisionado o fusionado según si su uso es la fisión nuclear o la fusión nuclear.

Nos referimos al combustible nuclear tanto al material (uranio, plutonio...) como al conjunto elaborado con dicho material nuclear (barras de combustible, composiciones de material nuclear y el moderador o cualquier otra combinación.El combustible nuclear más conocido es el  uranio debido a que es el más utilizado en los reactores nucleares de fisión.

Actualmente todos los reactores nucleares en producción para la generación de energía eléctrica son de fisión. A otro nivel, también se utiliza el plutonio como combustible nuclear.El tritio y el deuterio son isótopos ligeros que se utilizan en el proceso de fusión nuclear.

Entonces el uranio es un combustible nuclear, como también lo es el óxido de uranio.En el primer caso nos referimos a un elemento químico, algunos de cuyos isótopos son fisionables; en el segundo, a un compuesto químico determinado que contiene tales isótopos.

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 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 uranio-238, seguida de dos emisiones beta.

El plutonio-241: Tiene menor importancia que los anteriores. Se forma por la captura de un neutrón por el Pu-240, el cual procede a su vez, de la captura de un neutrón por un núcleo de Pu-239.

La obtención de los dos primeros isótopos, el U-233 y el Pu-239, se puede realizar en los propios reactores nucleares, si introducimos en los mismos núcleos de torio-232 y uranio-238, que son los átomos que por captura de un neutrón dan lugar a los isótopos fisionables.

La fusión nuclear, por el momento, no está lo suficientemente desarrollada para poderla aplicar en centrales nucleares aunque en Francia se está construyendo un reactor nuclear de fusión (proyecto ITER) para su estudio.

Elementos combustibles

Los elementos combustibles son los responsables de producir energía en los Reactores Nucleares, generando calor durante dicho proceso como cualquier otro tipo de combustible

Los Elementos Combustibles están formados normalmente, por:

El material combustible: normalmente e Uranio y/o Plutonio combinado con oxígeno para formar un óxido o con otro material para formar una aleación.

Las vainas: normalmente aleaciones metálicas (de Zirconio, Aluminio, etc) que encierran herméticamente al material combustible para evitar que se escapen los productos (la mayoría gases) formados durante las reacciones nucleares.

Materiales estructurales: son también aleaciones metálicas (de Zirconio, Aluminio y/o aceros) que sirven para dar una estructura geométrica al conjunto permitiendo así que la remoción del calor generado sea extraído con facilidad por el líquido refrigerante (normalmente agua) que se mueve a través de ellos.

Residuos nucleares

Uno de los principales problemas del uso de la energía nuclear es la gestión de los residuos nucleares ya que son muy peligrosos y difíciles de eliminar.

¿Qué se hace con los residuos de la energía nuclear?

Los residuos nucleares son uno de los principales problemas relacionados la energía nuclear. Si estos residuos no se tratan debidamente, resultan altamente peligrosos para la población y el medio ambiente.

Los residuos radiactivos se pueden clasificar según sus características físicas y químicas y por su actividad.

Clasificándolos por su actividad tenemos:

Residuos nucleares de alta actividad , compuestos por los elementos del combustible ganado.

Residuos nucleares de media actividad , son radio nucleídos producidos en el proceso de fisión nuclear.

Residuos nucleares de baja actividad , básicamente se trata de las herramientas, ropas y material diverso utilizado para el mantenimiento de una central de energía nuclear.

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Impacto ambiental de las centrales nucleares

Cabe destacar que las centrales nucleares no envían a la atmósfera óxidos de carbono, azufre, nitrógeno ni otros elementos derivados a la combustión, como las cenizas. Por lo tanto, no contribuyen al calentamiento global, el cual es el responsable del clima del planeta o la lluvia ácida.No obstante, debe tenerse precaución en la generación de electricidad mediante la energía nuclear, tanto en la extracción, el concentrado y enriquecimiento del uranio como en la propia producción de energía eléctrica.

La producción de energía eléctrica en centrales nucleares genera residuos radioactivos de larga duración que deben almacenarse en la misma central y en depósitos especiales para materiales radioactivos.

Las centrales nucleares han estado siempre sujetas a un estricto control reglamentario institucional difícil de igualar por otras actividades industriales. Esta reglamentación tiene en cuenta todas y cada una de las fases que forman el ciclo de producción, contemplando también la protección de los trabajadores, el público en general y el desmantelamiento de la central al final de su vida útil.

Referencias

Nuclear Fuel Cycle  Wrold Nuclear Association

United States Nuclear Regulatory Comission

Linkografía

http://www.endesaeduca.com/Endesa_educa/recursos-interactivos/produccion-de- electricidad/x.-las-centrales-nucleares

http://www.yosoynuclear.org/index.php? option=com_content&view=article&id=20:ique-es-una-central-nuclear&catid=11:divulgacion&Itemid=22

http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ed99-0226-01/capitulo5b.html

Vocabulario:

Uranio Aspectos físicos que convierten el uranio es el combustible nuclear mas utilizado en las reacciones de fisión nuclear.

Plutonio

El plutonio es un elemento químico radiactivo artificial generado en los reactores nucleares que se puede utilizar a la vez como combustible nuclear.

Tritio

El tritio es un isótopo radiactivo del hidrógeno. Se utiliza como combustible nuclear para la obtención de energía mediante la fusión nuclear.

Reactor nuclear

Un reactor nuclear es una instalación capaz de iniciar, controlar y mantener las reacciones nucleares. Pueden ser reactores térmicos o reactores rápidos.

Tipos de reactores nucleares

Los reactores nucleares se pueden clasificar según el combustible utilizado, la velocidad de los neutrones, el moderador utilizado y el material utilizado como refrigerante.