1. ¿COMO FUNCIONA UNACENTRAL NUCLEOELECTRICA?Una nucloeléctrica es una central térmica de producción de electricidad. Suprincipio de funcionamiento es esencialmente el mismo que el de las plantas quefuncionan con carbón, combustóleo o gas: la conversión de calor en energía eléctrica.

Esta conversión se realiza en tres etapas: En la primera, la energía del combustiblese utiliza para producír vapor a elevada presión y temperatura. En la segunda etapala energía del vapor se transforma en movimiento de una turbina. En la tercera, elgiro del eje de la turbina se transmite a un generador, que produce energía eléctrica.

La transformación de energía térmica en otro tipo de energía tiene un rendimientolimitado por el Segundo Principio de la Termodinámica. Esto quiere decir que porcada unidad de enerqía producida por el combustible, sólo una tercera parte seconvierte en trabajo mecánico y se ceden al medio ambiente las dos terceras partesrestantes en forma de calor.

Las centrales nucleoeléctricas se diferencian de las demás centrales térmicassólamente en la primera etapa de conversión, es decir, en la forma de producir vapor.

En las centrales convencionales el vapor se produce en una caldera donde se quemade una forma continua carbón, combustóleo o gas natural. La caldera consta de lossiguientes elementos:

- Un dispositivo de inyección de combustible. (carbón pulverizado, combustóleo ogas)

- Un sistema de inyección de aire para que el combustible pueda quemarse.- l.)n sistema de eliminación de los gases producidos en la combustión(chimenea)Un mecanismo de eliminación de cenizas cuando la central funcionacon carbón.Unos tubos por los que circula agua que al calentarse con el fuego de lacaldera se convierte en vapor.

Las centrales nucleoeléctricas tienen un reactor nuclear, que equivale a la caldera delas centrales convencionales. El reactor no tiene sistemas de inyección continua decombustible y aire, ni en él se necesita un dispositivo de eliminación continua deresiduos sólidos. Tampoco se producen gases de combustión. Su estructura se explicaa continuación.

Esquema de una CentralTérmica Nuclear Tipo BWR

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2.- ¿Como es un reactor nuclear?Un reactor nuclear consta de treselementos esenciales: el combustible, elmoderador y el fluido refrigerante.

El combustible nuclear

En las centrales nucleoeléctricas el calor seobtiene a partir de la fisión del uranio, sinque se produzca combustión. Sin embargo,por analogía con las centrales térmicasconvencionales, se le denominacombustible nuclear.

El uranio se utiliza en su forma natural quecontiene 0.7% de uranio 235 o bien enforma de uranio enriquecido, al queartificial mente se eleva la concentración deuranio 235, hasta un 3 04%.

El uranio natural secoloca en losreactores en forma.de uranio metálicoo de óxido deuranio (U02),dispuesto en barrascompactas o tubosde pocoscentímetros dediámetro y variosde longitud.

El uranioenriquecido seutiliza en forma deóxido de uranio(U02), con el que sefabrican pequeñaspastillas cilíndricas,normalmente depoco más de uncentímetro dediámetro y longitud.

Esquema de unReaclor de Aguaen Ebullición BW R

Para contener en el combustible losproductos formados en la fisión, laspastillas se encapsulan en un tuboperfectamente hermético, que además loprotege de la corrosión y la erosión delfluido refrigerante. El tubo es de aleacionesespeciales de Circonio.

fisión, es preciso que la velocidad delneutrón sea del orden de 2 km. porsegundo. Cuando el neutrón sale de unnúcleo fisionado, lleva una velocidad de20,000 km por segundo y es necesariofrenarlo. Esta es la función del moderador:frenar neutrones sin absorberlos. Para quepueda há?erlo con eficacia, el moderadordebe reunir ciertas condiciones: que tengaun peso atómico ligero, que no absorbaneutrones y que tenga una elevadadensidad atómica.

Los moderadores más utilizados son elgrafito, el agua ordinaria, el agua pesada yalgunos líquidos orgánicos.,

El fluido refrigerante

El fluido refrigerante tiene en los reactoresnucleares la misma función que el aguaque circula por una caldera convencional:evacuar el calor producido por elcombustible, para producir vapor.

El fluidorefrigerante circulaentre las barras decombustibleimpulsado poruna bomba. Debereunir una serie decondiciones paraque pueda cumplirsu función en formasatisfactoria: nocapturar neutrones,tener un elevadocalor específico yno ser corrosivopara los tubos ydemás elementosdel reactor.

El moderador

Contrariamente a lo que puede sugerir sunombre, el moderador no mitiga la reacciónde fisión sino que la haca posible.

Para que el choque de un neutrón con unnúcleo de uranio 235 pueda producir una

~.quema de unReaclor de Aguaa Pre.lón PW R

Además del aguaordinaria en los reactores a base de uranioenriquecido, los fluidos. refrigerantesmás comunes son: el anhídrido carbónicoy el agua pesada en los reactores deuranio natural, y el sodio en los reactoresrápidos.

El fluido refrigerante, tras circular alrededorde las barras de combustible, con lo que secalienta, es conducido a un intercambiadoren el que cede el calor extraído del reactora otro circuito de agua, donde se produceel vapor. En los reactores del tipo de aguaen ebullición (BWR), el vapor se producedirectamente en el reactor.

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3.- Dispositivos de seguridad

Vasija Contención y •• 11IIII.Refrigeración

Pastillas de TubosCombustible Herméticos

1. Edificio deContención Primaria

2. Edificio deContención Secundaria

3. Sistemas deRefrigeración de

•Emergencia

Las centrales nucleoeléctricas tienen una serie de dispositivos de seguridaddestinados a mantener bajo control la reacción de fisión en cadena y evitar la salidade radiaciones al exterior en caso de accidente.

El primer dispositivo lo constituyen las barras de control. Se trata de unas varillasconstruidas con un material muy absorbedor de neutrones. Al introducirse entre lasbarras de combustible capturan neutrones y disminuyen con ello el número defjsiones en el combustible, frenando la reacción. Cuando es necesario detener lafisión rápidamente, las barras de control se insertan en el reactora gran velocidad, con lo cual la reacción cesa de inmediato.

Para prevenir la posible falta de refrigeración del combustible, función que realizanormalmente el fluido refrigerante, se dispone en los reactores nucleares de sistemasde refrigeración de emergencia; entran en funcionamiento cuando se detectanindicios de falta de refrigeración del combustible.

Finalmente el material radiactivo en el combustible está aislado del ambiente exteriorpor una serie de barreras que son:

- La propia pastilla de combustible

- Los tubos que encapsulan las pastillas de combustible

La vasija del reactor: un recipiente que encierra el combustible y el moderador,construido _en acero especial. Sus paredes tienen 14 cm. de espesor

El edificio de contención primaria: es un edtñclo estanco que rodea la vasija delreactor y el circuito de refrigeración, construido en concreto fuertemente armadocon acero. Sus paredes tienen 1.5 m. de espesor. Por dentro se recubre conchapa de acero de 0.95 cm. de espesor soldada herméticamente para conseguir laestanqueidad.

El edificio de contención secundaria, que rodea la contención primaria y a todoslos equipos relacionados con la operación segura del reactor. Cuenta con unsistema de aire acondicionado que mantiene una presión negativa en su interior eimpide la salida del material a la atmósfera.

Los edificios de contención se diseñan para soportar sismos y huracanes de muyalta intensidad, sin que pierdan su estanqueidad.

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4.- Producción de energíamecánica

El vapor producido en el reactor nuclearse canaliza hacia una turbina donde laenergía contenida en el vapor seconvierte en energía mecánica derotación.

Otras veces el agua caliente se hacepasar previamente por una torre deenfriamiento donde una parte se evaporaenfriando al resto. Una vez enfriada, elagua se recircula al condensador. Sedice entonces que la central funciona encircuito cerrado.Por las leyes de la termodinámica, el

rendimiento de la transformación deenergía térmica en eléctrica es del ordende 33%. Ello quiere decir que por cada3 kWh de energía contenida en el vaporsólo se obtiene 1 kWh de energíaeléctrica, debiéndose ceder al medioambiente en forma de calor a bajatemperatura los otros 2 kWh.

Una central nuclear de 1,000 MW depotencia, que funciona en circuitoabierto nece,sita un caudal de agua derefrigeración de unos 45 m3/seg. Sifuncionase en circuito cerrado, el caudalnecesario sería de unos 3 m3/seg., que seemplean en reponer el agua evaporada(0.5 m3/seg.) y las purgas necesarias delcircuito para evitar la concentración desales en él (2.5 m3/seg.)

Refrigeración

Para hacer posible el ciclotermodinámico se necesita una fuentecaliente y una fría. Esta última es elcondensador, que consiste en una seriede tubos en cuyo interior circula el aguade enfriamiento. El vapor provenientede la zona de baja presión de la turbinapasa por fuera de los tubos y secondensa.

Hemos visto que por el rendimiento delproceso de transformación de energíatérmica en mecánica es necesarioeliminar una gran cantidad de calor. Estono es una característica específica de lascentrales nucleares, sino de todas lascentrales térmicas, si bien es verdad quelas segundas tienen rendimientos algomayores en la transformación (de hastaun 40%).El agua de refrigeración así calentada

puede devolverse directamente al mediode donde se extrajo. Se dice entoncesque la central funciona en circuito abierto.

Esquema de una Central con refrigeraciónen circuito abierto del condensador

Esquema de una Central con refrigeraciónen circuito cerrado del condensador

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5.- Producción. de energía eléctricaLa rotación de la turbina provocada por el vapor se transmite a un generador, el cualconsiste de conductores eléctricos que giran en un campo magnético, produciendoelectricidad. Esquemáticamente un generador pcdría ser un cable en forma de U que,girase entre los polos de un imán; el giro produce electricidad.

La energía eléctrica producida pasa a la subestación donde se eleva su tensión paradisminuir las pérdidas por calentamiento en las líneas de transmisión, ya que lapotencia es el producto del voltaje por la corriente y las pérdidas de transmisión sonproporcionales al cuadrado de la corriente.

Mediante las líneas de transmisión, la energía se integra al sistema que la hace llegara los usuarios.

-AQUII Agua

6.- Configuración de una centralhucleoeléctrica

Una central nucleoeléctrica está constituida básicamente por seis edificios principales yotros secundarios. Los seis edificios principales son:

• Edificio del reactor: alberga en su interior al reactor nuclear, sus sistemas auxiliares ylos dispositivos de seguridad, la plataforma de recambio de combustible yla alberca de almacenamiento de combustible irradiado.

• Edificio del turbogenerador: aloja a las turbinas de alta y baja presión, el generadoreléctrico y su excitador, el condensador, ros precalentadores de agua de alimentacióny los recalentado res de vapor

• Edificio de control: en su interior están el cuarto de control y la computadora deprocesos, cuarto de cables, los sistemas de aire acondicionado, el banco de baterías,los laboratorios radioguímicos y el acceso de personal al edificio del reactor

• Edificio de generadores diesel: aloja los tres generadores diesel que se utilizan para elsuministro de energía eléctrica a los sistemas de refrigeración de emergencia

• Edificio de tratamiento de, residuos radiactivos: aloja los sistemas de tratamiento deresiduos sólidos, líquidos y gaseosos de mediano y bajo nivel de radiactividad

• Edificio de la planta de tratamiento de agua y del taller rnecaruco: contiene laplanta de producción de agua desmineralizada de alta pureza para su uso en elciclo de vapor. También contiene el taller mecánico para reparación de equipos ymantenimiento.

A. EDIFICID DEL REACTORB. EDIFICIO DEL TURBOGENERADORC. EDIFICIO DE CONTROLD. EDIFICIO DE GENERADORES DIESELE. EDIFICIO DE TRATAMIENTO DE RESIDUOS RADIACTIVOSF. EDIFICIO DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA

Y DEL TALLER MECANICOLos edificios secundarios son: toma de agua de enfriamientopara el condensador y los componentes nucleares;la subestación eléctrica; el edificio administrativo;el edificio de almacenamiento de partes derepuesto; el edificio de acceso; el edificiode almacenamiento temporal de residuosde mediano y bajo nivel de radiactividad;y el edificio de entrenamiento ydel centro de información pública.

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7.- Tipos de centralesnucleoeléctricas

Las centrales nucleoeléctricaspueden ser de varios tipos,dependiendo de las característicasdel reactor. Es decir, de lascaracterísticas del combustible,moderador y fluido refrigerante queutilizan.

Comercialmente. los tres tiposde centrales más comunes son:

- De uranio enriquecido comocombustible yagua a presióncomo moderador y refrigerante.Se llaman centrales de agua apresión (PWR),ya diciembre de1985 habían 182 unidades enoperación con un total de 148 milMW

De uranio enriquecido comocombustible yagua ordinaria enebullición como moderador yrefrigerante. Se llaman centralesde agua en ebullición (BWR), y adiciembre de 1985 habían 77unidades en operación, con untotal de 61 mil MW.

De uranio natural comocombustible yagua pesada comomoderador y fluido refrigerante(CANDU); a diciembre de 1985 .hablan 24 unidades en operacióncon un total de'13 mil MW.

La central nucleoeléctricaLaguna Verde es del tipo BWR

Existen en el mundo otros tipos decentrales, menos comunes que lasanteriores. Entre ellas destacan lascentrales equipadas con reactoresrápidos.

En estos reactores no existemoderador porque se necesitanneutrones de alta energía para lasreacciones que en ellos tienen lugar.Utilizan una mezcla de uranio yplutonio como combustible,rodeados de uranio natural donde,además de producir calor, el isótopo238 del uranio se convierte enplutonio 239, que es fisionable. Elfluido refrigerante es sodio fundido.

Esquema de una Central Nucleoeléctrica conReactor de Uranio Enriquecido y Agua a Presi6n

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1. Núcleo del reactor2. Barras de control3. Generador de vapor4. Presurizador5. Vasiia

6. Turbina7. Generador8. Bombas9. Condensador10. Agua de rlo o de mar

Esquema de una Central Nucleoeláctrica conReactor de Uranio Enriquecido y Agua en Ebullici6n

1. Núcleo del reactor2. Barras de control3. Separador de humedad4. Secador de vapor5. Vasija

6. Turbina7. Generador8. Bombas9. Condensador10. Agua de rlo o de mar

Esquema de una Central Nucreoeléctrica conReactor de Uranio Natural (CANDU)

1. Núcleo del reactor2. Barras de control3. Generador de Vapor4. Calandria5. Recipiente de contención

6. Turbina7. Generador8. Bombas9. Condensador10. Agua de rio o de mar