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Turbina de una central nuclear

Reactor de Pruebas Avanzado
Reactor nuclear de investigación del laboratorio Nacional de Idaho

Central nuclear de Cattenon,
Francia 

¿Cómo funciona una central nuclear?

El funcionamiento de una central nuclear es parecido al de cualquier otra central térmica. Una planta nuclear es un tipo de central térmica. Su función es generar energía eléctrica.

¿Cómo funciona una central nuclear?

Existen varios tipos de centrales, pero en la base funcionan igual:

  1. Generar reacciones nucleares. Se obtiene energía térmica.
  2. Generar vapor de agua con la energía térmica.
  3. Accionar una turbina de vapor. Se obtiene energía mecánica (energía cinética).
  4. Accionar un generador eléctrica. Se obtiene electricidad.

Una central nuclear es una instalación en la que se realiza todo el proceso. La diferencia más importante con las otras centrales térmicas és la forma de obtener energía térmica. En una planta nuclear se realiza en el reactor nuclear.

Los otros tipos de centrales térmicas son principalmente las que utilizan combustibles fósiles. Carbón o gas natural principalmente. También existen las plantas termosolares que utilizan el sol para generar vapor.

¿Qué es una reacción nuclear?

Una reacción nuclear es una alteración en el núcleo de un átomo.

Los átomos están formados por una combinación de subpartículas. Protones y neutrones. Estas subpartículas están unidas por unos enlaces de fuerza que poseen una gran cantidad de energía. 

El concepto de energía nuclear se refiere a la energía del núcleo. El concepto de energía atómica se refiere al átomo. Sin embargo, en ambos casos nos referimos a lo mismo.

Si esta estructura atómica se altera puede pasar dos cosas:

En ambos casos se libera una gran cantidad de energía térmica.

A día de hoy, todas las centrales nucleares de potencia utilizan reactores de fisión. La fusión nuclear todavía no es viable.

¿Qué tipos de centrales nucleares existen?

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.

¿Cómo funciona una central nuclear de agua a presión?

¿Cómo funciona una central nuclear?

El funcionamiento básico de una central nuclear con un reactor de agua a presión se puede simplificar en 4 pasos:

  1. Obtención de energía térmica mediante la fisión nuclear del núcleo de los átomos (núcleo atómico) del combustible nuclear.
  2. Generar vapor de agua mediante la energía térmica obtenida anteriormente en el generador de calor.
  3. Accionar un conjunto de turbinas mediante el vapor de agua obtenido.
  4. Aprovechar la energía mecánica de las turbinas para accionar un generador eléctrico. Este generador eléctrico generará 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. Con la ayuda de la termodinámica, parte de la energía térmica se convierte en 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 cicuitos de agua:

  • Circuito primário. Pasa por el reactor.
  • Circuito secundario. 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 impede que se pueda gasificar. No se puede convertir en vapor. Este es el objetivo.

El circuito secundario también es cerrado. Parte del agua se convierte en vapor. Se calienta porqué esta en contacto con el circuito primario. El vapor pasa por la turbina.

Finalmente se refigera al estar en contacto térmico con una fuente de agua externa.

¿Qué sucede en el reactor nuclear?

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. Generalmente uranio. El uranio es muy inestable.

Si un neutrón choca con un átomo de uranio es muy provable que se rompa. Esta rotura es una reacción de fisión nuclear. En una fisión nuclear se liberan trozos de átomo y uno o dos neutrones más. Estos neutrones pueden chocar con átomos y generar reacciones en cadena.

Si estas reacciones no se controlaran cada vez se producirían más reacciones por segundo. El calor generado sería tan alto que no se podría contener y el reactor se fundiría (como en Chernobyl y Fukushima).

Para que esto no pase existen las barras de control. Las barras de control tienen la capacidad de atraer los neutrones. Sin neutrones no hay más reacciones.

Edificio de contención

El edificio de contención es el efificio donde se encuentran el reactr nuclear y el circuito primario. Las partes más sensibles de la central nuclear.

El edificio de contención está diseñado para:

  1. Contener posibles explosiones.

  2. Evitar el posible escape de radiaciones nucleares al exterior.

¿Cómo se genera la electricidad?

Cuando el vapor ha accinado la turbina ha transferido gran parte de su energía térmica a la turbina. Ahora la turbina tiene energía mécanica, gira.

Esta turbina está conectada a un generador eléctrico. el generador transforma la energía cinética en energía eléctrica.

¿Cómo funciona una central nuclear?

El vapor de agua que sale de la turbina ha perdido mucha energía calorífica pero sigue siendo vapor muy caliente. Hay refrigerarlo antes de volverlo a introducir en el circuito. 

Al salir de la turbina, el vapor  se dirige a un depósito de condensación. El agua estará en contacto térmico con unas tuberías de agua fría del exterior. El vapor de agua se vuelve líquido. Mediante una bomba el agua se dirige nuevamente al reactor.

El ciclo se repite.

¿Qué es el humo que sale de las chimeneas de las centrales nucleares?

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. El calor se transfiere. 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. Puede ser el mar, un río, o un lago. El agua se necesita para la refrigeración en el depósito de condensación.

Resumen

Una central nuclear tiene el objetivo de extraer la energía de un átomo y convertirla en electricidad.

Este proceso se realiza en 4 etapas.

  1. Convertir la energía del átomo en energía térmica mediante reacciones nucleares.
  2. Generar vapor mediante esta energía térmica.
  3. Accionar una turbina de vapor.
  4. Convertir la energía cinética de la turbina en electricidad. Generador eléctrico.

Referencias

Autor:

Fecha publicación: 10 de diciembre de 2009
Última revisión: 11 de mayo de 2020