Una central nuclear es una instalación de generación eléctrica que utiliza la energía liberada por reacciones nucleares para producir electricidad. En esencia, es un tipo de central térmica que emplea la fisión nuclear como fuente de calor, en lugar de combustibles fósiles como el carbón o el gas.
El funcionamiento básico de una central nuclear comparte principios con otras centrales térmicas: se genera calor a partir de una fuente de energía, que se utiliza para producir vapor y accionar una turbina conectada a un generador eléctrico.
¿Qué es una central nuclear?
Una central nuclear, también conocida como planta de energía nuclear, es un tipo de central térmica cuya fuente de energía proviene de las reacciones nucleares, específicamente del proceso de fisión nuclear.
Estas instalaciones están diseñadas para producir grandes cantidades de electricidad de manera constante, aprovechando la enorme cantidad de energía contenida en el núcleo de los átomos.
Aunque su funcionamiento es similar al de otras centrales térmicas —donde una fuente de calor se emplea para generar vapor y accionar una turbina conectada a un generador eléctrico—, las centrales nucleares se distinguen por el uso de materiales radiactivos como el uranio-235 o el plutonio-239 como combustible.
¿Para qué sirve una central nuclear?
El propósito principal de una central nuclear es producir electricidad de manera eficiente y continua. A través del proceso de fisión nuclear, estas instalaciones generan calor que se utiliza para producir vapor, que luego impulsa turbinas conectadas a generadores eléctricos para generar electricidad.
Otros propósitos de las plantas nucleares es la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero. Las centrales nucleares emiten muy bajas cantidades de dióxido de carbono (CO2) durante la generación de electricidad en comparación con las plantas de energía que queman combustibles fósiles como el carbón y el gas natural.
Además de la generación de electricidad, algunas centrales nucleares se utilizan para la investigación científica y médica. Por ejemplo, producen isótopos radiactivos utilizados en medicina para diagnóstico y tratamiento de enfermedades, así como para investigaciones en física nuclear.
Partes de una central nuclear
Las plantas nucleares se pueden dividir en diferentes componentes. Los elementos más importantes de una central atómica, son los siguientes:
Reactor nuclear
El reactor es el componente central de la planta, donde ocurre la reacción de fisión. Sus partes principales son:
- Combustible nuclear: Generalmente uranio enriquecido en forma de barras de combustible.
- Moderador: Sustancia que reduce la velocidad de los neutrones para mantener la reacción en cadena. Suele ser agua ligera, agua pesada o grafito.
- Barras de control: Mecanismos que absorben neutrones para regular o detener la reacción nuclear.
- Refrigerante: Fluido que extrae el calor generado en el reactor.
Generador de vapor
En los reactores de agua a presión (PWR), este componente transfiere el calor del refrigerante primario al circuito secundario, donde se genera vapor para mover las turbinas.
Turbina y generador
Estos son los elementos que convierten la energía mecánica en eléctrica.
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Turbina: Convierte la energía térmica del vapor en energía mecánica.
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Generador: Transforma la energía mecánica en electricidad utilizable.
Condensador
El condensador enfría el vapor usado en las turbinas, convirtiéndolo nuevamente en agua para su recirculación.
Sistema de refrigeración
Este sistema asegura la eliminación del calor residual del reactor y el condensador, utilizando torres de refrigeración o cuerpos de agua naturales.
Sistemas de seguridad
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Contención: Estructura que encierra el reactor para evitar la liberación de material radiactivo al ambiente.
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Sistema de parada rápida: Permite insertar las barras de control rápidamente para detener la reacción.
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Sistemas redundantes: Diseñados para garantizar el funcionamiento seguro en caso de fallos.
Funcionamiento básico
El funcionamiento de una central nuclear puede dividirse en varias etapas, todas diseñadas para convertir la energía liberada por la fisón nuclear en electricidad de forma eficiente y controlada:
1. Reacción nuclear en el reactor
El reactor es como el corazón de la central. En esta parte es donde se realiza el proceso más importante: el combustible nuclear, como el uranio, sufre un proceso llamado fisón nuclear. Básicamente, dividimos átomos grandes en pedazos más pequeños. ¿Y qué pasa cuando rompemos estos átomos? De acuerdo con lo que estableció Einstein, liberan una gran cantidad de calor.
2. Transferencia de calor
El calor generado en el reactor se transfiere a un fluido refrigerante (comúnmente agua) que circula por el interior del reactor. Este fluido se calienta hasta alcanzar temperaturas extremadamente altas.
3. Generación de vapor
El fluido calentado se utiliza para producir vapor en un generador de vapor (en los reactores de agua a presión) o directamente en el reactor (en los reactores de agua en ebullición). El vapor generado tiene alta energía cinética y es conducido hacia las turbinas.
4. Movimiento de turbinas
El vapor a alta presión mueve las aspas de una turbina, convirtiendo la energía térmica del vapor en energía mecánica.
5. Generación eléctrica
La turbina está acoplada a un generador eléctrico, que transforma la energía mecánica en electricidad mediante el principio de inducción electromagnética.
6. Condensación y recirculación
Tras pasar por las turbinas, el vapor se enfría y condensa en agua mediante un condensador. El agua se devuelve al ciclo para ser nuevamente calentada, cerrando el circuito.
Tipos de centrales nucleares
Las plantas nucleares se clasifican según el tipo de reactor que utilizan.
Existen diferentes tipos de reactores nucleares, en las centrales destinadas a la producción eléctrica, todos ellos son de fisión. La ONU los clasifica de la siguiente manera:
- El reactor de agua a presión (PWR y VVER). Utilizan agua a alta presión para producir vapor a los generadores de vapor. Tienen tres circuitos.
- El reactor de agua en ebullición (BWR): El segundo más común en el mundo. El agua hierve, generando vapor directamente en el núcleo del reactor. Tienen sólo dos circuitos.
- El reactor de agua pesada a presión (PHWR): Utiliza agua pesada a alta presión como moderador de neutrones y como refrigerante.
- El reactor refrigerado por gas (GCR: AGR y Magnox): Usan grafito como moderador de los neutrones y dióxido de carbono en estado gaseoso como refrigerante.
- El reactor moderado por grafito y refrigerado por agua ligera (LGR y RBMK): Modelos de origen ruso. El "agua ligera" es agua normal.
- El reactor rápido (LBR, o LMFBR): No desacelera los neutrones de la reacción en cadena y refrigera con sodio líquido. Están en fase de prototipo y de investigación.
- Reactores de sal fundida: Son una tecnología en desarrollo que utiliza una mezcla de sal fundida como refrigerante y combustible.