El funcionamiento de una central nuclear es parecido al de cualquier otra central térmica. En realidad, una planta nuclear es un tipo de central térmica cuya función es generar energía eléctrica.
Existen varios tipos de centrales, pero el principio de funcionamiento es el siguiente:
Generar reacciones nucleares para obtener energía térmica.
Generar vapor de agua con la energía térmica.
Accionar una turbina de vapor para obtener energía mecánica.
Accionar un generador eléctrico para obtener electricidad.
Una central nuclear es una instalación en la que se realiza todo el proceso. La diferencia más importante con las otras centrales térmicas es la forma de obtener energía térmica. En una planta nuclear, la obtención de calor se realiza en los reactores nucleares.
Obtención de calor: la reacción nuclear
Una reacción nuclear es una alteración en el núcleo de un átomo.
Los átomos están formados por una combinación de sub partículas: los protones y neutrones. Estas subpartículas están unidas por unos enlaces de fuerza que poseen una gran cantidad de energía.
Cuando estos enlaces se rompen se generan los llamados productos de fisión, que son materiales radiactivos, y la emisión de una considerable cantidad de energía.
Tipos de centrales nucleares
A nivel mundial el 90% de las centrales utilizan reactores de agua ligera. El agua ligera es agua corriente; en ingeniería nuclear se denomina así. Entre los reactores de agua ligera se distinguen dos tipos:
Reactor nuclear de agua a presión (PWR).
Reactor nuclear de agua en ebullición (BWR).
Entre estos dos tipos de reactor, el reactor de agua a presión es el más utilizado en el mundo.
Esquema de funcionamiento de una central nuclear de agua a presión
El funcionamiento básico de una central nuclear con un reactor de agua a presión se puede simplificar en 4 pasos:
Obtención de energía térmica mediante la fisión nuclear del núcleo de los átomos del combustible nuclear.
Generar vapor de agua mediante la energía térmica obtenida en el paso anterior.
Accionar un conjunto de turbinas mediante el vapor de agua obtenido.
Aprovechar la energía mecánica de las turbinas para accionar un generador eléctrico para producir electricidad.
Desde un punto de vista físico se observan varios cambios de energía:
Inicialmente tenemos energía nuclear (la que mantiene los núcleos de los átomos cohesionados). Posteriormente, al romperse se convierte en energía térmica que se utiliza para generar vapor.
La energía térmica pasa a ser energía interna del agua (ahora vapor). La energía interna y la energía calorífica del agua se transforman en energía cinética al accionar la turbina.
Finalmente, el generador convierte la energía cinética en energía eléctrica.
Circuitos de agua
Las centrales nucleares que funcionan con un reactor de agua a presión tienen dos circuitos de agua:
El circuito primario que pasa por el reactor.
El circuito secundario que pasa por las turbinas de vapor.
En el circuito primario el agua está sometida a alta presión. Al pasar por el reactor el agua adquiere una temperatura muy elevada y la presión impide que se pueda gasificar.
El circuito secundario también está cerrado. El agua de este circuito se calienta al estar en contacto térmico con el circuito primario para convertirla en vapor y accionar la turbina.
Finalmente se refrigera al estar en contacto térmico con una fuente de agua externa.
Dentro del reactor
El reactor nuclear es la parte más sensible y más importante de la central.
El reactor es el encargado de convertir la energía nuclear en energía térmica. En su interior se colocan las barras de combustible nuclear que generalmente son de uranio, un elemento de la tabla periódica muy inestable.
El simple choque de un neutrón contra un átomo de uranio provoca su rotura dando lugar a una reacción de fisión nuclear. El resultado de cada fisión nuclear son dos fragmentos de materiales radioactivos y uno o dos neutrones más. Estos neutrones pueden chocar con átomos y generar reacciones en cadena.
Si estas reacciones no se controlan cada vez se producirían más reacciones por segundo. El calor generado sería tan alto que no se podría contener y el reactor se fundiría. Para que esto no pase existen las barras de control. Las barras de control tienen la capacidad de atraer los neutrones.
El edificio de contención es el edificio donde se encuentran el reactor nuclear y el circuito primario. El edificio de contención está diseñado para contener posibles explosiones y evitar el posible escape de radiaciones nucleares al exterior.
Generación de energía eléctrica
Cuando el vapor ha accionado la turbina ha transferido gran parte de su energía térmica a la turbina. La turbina de vapor está conectada a un generador eléctrico para transformar el movimiento circular en energía eléctrica.
El vapor de agua que sale de la turbina ha perdido mucha energía calorífica pero sigue siendo vapor muy caliente.
Al salir de la turbina, el vapor se dirige a un depósito de condensación donde está en contacto térmico con unas tuberías de agua fría del exterior. Cuando el vapor de agua se vuelve líquido vuelve de nuevo al reactor impulsado por una bomba de agua.
¿Qué es el humo que sale de las chimeneas?
El humo blanco que sale de las chimeneas de las plantas nucleares es vapor de agua.
Cuando el agua fría entra en contacto térmico con el vapor que sale de las turbinas se calienta rápidamente. Debido al calor, parte de esta agua externa se convierte en vapor.
Por esta razón las centrales nucleares siempre están instaladas cerca de una fuente abundante de agua fría (el mar, un río, o un lago).