Centrales Nucleoeléctricas Nucleoeléctricas Funcionamiento de una central de energía nuclear El principal uso que se le da actualmente a la energía nuclear es el de la generación de energí energía a eléctri eléctrica. ca. Las centra centrales les nuclear nucleares es son las instal instalaci acione oness encarg encargada adass de este este proceso. Prácticamente todas las centrales nucleares en producción utilizan la fisión nuclear nuclear ya que la fusión fusión nuclear actualmente actualmente es inviable a pesar de estar en proceso proceso de desarrollo. El funcionamiento de una central nuclear es idéntico al de una central térmica que funcione con carbón, petróleo o gas ecepto en la forma de proporcionar calor al agua para convertirla en vapor. En el caso de los reactores nucleares este calor se obtiene mediante las reacciones de fisión de los átomos del combustible nuclear. ! nivel mundial el "#$ de los reactores de potencia, es decir, los reactores destinados a la producción de energía eléctrica son reactores de agua ligera %en las versiones de agua a presión o de agua en ebullición&. 'e modo que eplicaremos más etensamente el funcionamiento de este tipo de reactor.
Funcionamiento de un reactor nuclear de agua ligera El principio básico del funcionamiento funcionamiento de una central nuclear se basa en la obtención de energía calorífica mediante la fisión nuclear del n(cleo de los átomos del combustible. )on 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. )on 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 *asta llegar a la turbina y *acerla *acerla girar. En este momento momento parte de la energía calorífica del vapor se transforma en energía cinética. Esta turbina está conectada a un generador eléctrico eléctrico mediante mediante el cual se transformar transformará á la energía cinética en energía energía eléctrica.
Por otra parte, el vapor de agua que salió de la turbina, aunque *a perdido energía calorífica sigue estando en estado gas y muy caliente. Para reutilizar esta agua *ay refrigerarla antes de volverla a introducir en el circuito. Para ello, una vez *a 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 aprovec*ar esta agua en el depósito de condensación. La columna de *umo blanco que se puede ver saliendo de determinadas centrales es el vapor de agua que se provoca cuando se este intercambio de calor.
Fisión Nuclear Para poder obtener energía manipulando los n(cleos de uno o varios átomos podemos *acerlo de dos formas distintas+ uniendo n(cleos de átomos distintos %entonces *ablamos de fusión nuclear& o partiendo n(cleos de un determinado átomo %caso de la fisión nuclear&. En energía nuclear llamamos fisión nuclear a la división del n(cleo de un átomo. El n(cleo se convierte en diversos fragmentos con una masa casi igual a la mitad de la masa original más dos o tres neutrones. La suma de las masas de estos fragmentos es menor que la masa original. Esta falta de masas %alrededor del #,- por ciento de la masa original& se *a convertido en energía seg(n la ecuación de Einstein %Emc/&. En esta ecuación E corresponde a la energía obtenida, m a la masa de la que *ablamos y c es una constante, la de la velocidad de la luz+ /"".0"/.123 m4s/. La fisión nuclear puede ocurrir cuando un n(cleo de un átomo pesado captura un neutrón %fisión inducida&, o puede ocurrir espontáneamente debido a la inestabilidad del isótopo %fisión espontánea&.
Reacciones nucleares en cadena 5na reacción en cadena es un proceso mediante el cual los neutrones que se *an liberado en una primera fisión nuclear producen una fisión adicional en al menos un n(cleo más. Este n(cleo, a su vez produce neutrones, y el proceso se repite. Estas reacciones en cadena pueden ser controladas o incontroladas. Las reacciones controladas serían las reacciones nucleares producidas en centrales nucleares en que el ob6etivo es generar energía eléctrica de forma constante. Las reacciones nucleares incontroladas se dan en el caso de armas nucleares. 7i en cada fisión provocada por un neutrón se liberan dos neutrones más, entonces el n(mero de fisiones se duplica en cada generación. En este caso, en -# generaciones *ay -.#/1 fisiones y en 3# generaciones aproimadamente 8 -#/9 fisiones.
La fisión nuclear controlada Para mantener un control sostenido de reacción nuclear, por cada / o 9 neutrones puestos en libertad, sólo a uno se le debe permitir dar a otro n(cleo de uranio. 7i esta relación es inferior a uno entonces la reacción va a morir, y si es más grande va a crecer
sin control %una eplosión atómica&. Para controlar la cantidad de neutrones libres en el espacio de reacción debe estar presente un elemento de absorción de neutrones. La mayoría de los reactores son controlados por medio de barras de control *ec*as de neutrones de un fuerte material absorbente, como el boro o el cadmio. !demás de la necesidad de capturar neutrones, los neutrones a menudo tienen muc*a energía cinética %se mueven a gran velocidad&. Estos neutrones rápidos se reducen a través del uso de un moderador, como el agua pesada y el agua corriente. !lgunos reactores utilizan grafito como moderador, pero este dise:o tiene varios problemas. 5na vez que los neutrones rápidos se *an desacelerado, son más propensos a producir más fisiones nucleares o ser absorbidos por las barra de control.
Fisión nuclear espontánea En este tipo de reacciones no es necesaria la absorción de un neutrón eterior. En determinados isótopos del uranio, y sobre todo del plutonio, tienen una estructura atómica tan inestable que se fisiona espontáneamente. La tasa de la fisión nuclear espontánea es la probabilidad por segundo que un átomo dado se fisione de forma espontánea ; es decir, sin ninguna intervención eterna. El plutonio /9" tiene una muy alta tasa de fisión espontánea en comparación con la tasa de fisión espontánea de uranio /92.
Requisitos técnicos para la fusión nuclear Para efectuar las reacciones de fusión nuclear, se deben cumplir los siguientes requisitos+ )onseguir una temperatura muy elevada para separar los electrones del n(cleo y que éste se aproime a otro venciendo las fuerzas de repulsión electrostáticas. La masa gaseosa compuesta por los electrones libres y los átomos altamente ionizados se denomina plasma. Es necesario el confinamiento para mantener el plasma a temperatura elevada durante un mínimo de tiempo. 'ensidad del plasma suficiente para que los n(cleos estén cerca unos de otros y puedan generar reacciones de fusión nuclear.
Combustible utilizado para las reacciones de fusión nuclear Para las reacciones de fusión nuclear se necesitan n(cleos ligeros. <ásicamente se utilizan 'euterio y =ritio, que son dos isótopos del *idrógeno. El 'euterio es un isótopo estable del *idrógeno formado por un protón y un neutrón. 7u abundancia en el agua es de un átomo por cada 8.2## átomos de *idrógeno. Esto supone que en el agua de mar *ay una concentración de 91 gramos de deuterio por metro c(bico de agua. El contenido energético del deuterio es tan elevado que la energía que se puede obtener del deuterio de un litro de agua de mar es equivalente a la energía que se puede obtener de /2# litros de petróleo. Por este motivo, teniendo en cuenta, que tres cuartas partes del Planeta están cubiertas por agua, se considera la fusión nuclear cómo una fuente de energía inagotable. El otro elemento empleado en la fusión nuclear, el =ritio, es el isótopo inestable o radiactivo del átomo de *idrógeno. Está compuesto por un protón y dos neutrones y se desintegra por emisión beta con relativa rapidez. !unque el =ritio es escaso en la naturaleza, se puede generar por reacciones de captura neutrónica con los isótopos del Litio. El Litio es un material abundante en la corteza terrestre y en el agua del mar. Tipos de reactores y generadores de vapor
7e define un reactor nuclear como una instalación capaz de iniciar, mantener y controlar las reacciones de fisión en cadena que tienen lugar en el n(cleo del reactor, compuesto por el combustible, el refrigerante, los elementos de control, los materiales estructurales y el moderador en el caso de los reactores nucleares térmicos. >ay dos formas de dise:ar un reactor nuclear+ térmico, bien sea retardando %moderando& los neutrones veloces o bien incrementando la proporción de átomos fisibles. Para la tarea de retardar los neutrones se emplea un moderador %agua ligera, agua pesada, grafito& y a los neutrones lentos resultantes se les denomina térmico, de modo que los reactores basados en esta técnica se conocen como ?E!)=@?E7 =A?BC)@7, a diferencia de los que emplean neutrones rápidos %veloces&, denominados ?E!)=@?E7 ?DPC'@7. ! la *ora de construir un reactor, es necesario tener una masa crítica de combustible, esto es, suficiente material fisible, en una óptima disposición del combustible y del resto de los materiales del n(cleo, para mantener la reacción en cadena. La disposición de los absorbentes de neutrones y de las barras de control permite mantener la criticidad en operación y la su criticidad en parada y puesta en marc*a.
COMON!N"!# $!L N%CL!O $!L R!&C"OR El n(cleo es la parte del reactor donde se produce y se mantiene la reacción nuclear en cadena. 7u ob6etivo es calentar el agua del circuito primario. 7e dise:a para operar de forma segura y controlada, de modo que se maimice la cantidad de energía etraída del
combustible. )ada componente del n(cleo del reactor 6uega un papel importante en la generación de calor+ Combustible
El combustible de un reactor nuclear es un material fisionable en cantidades tales que se alcance la masa crítica, y colocado de tal forma que sea posible etraer rápidamente el calor que se produce en su interior debido a la reacción nuclear en cadena. Los combustibles empleados en las centrales nucleares están en forma sólida, aunque varían desde el dióido de uranio cerámico ligeramente enriquecido, uranio en tubos de aleación de magnesio *asta dióido de uranio enriquecido o natural en tubos de aleación de zirconio, todo depende del tipo de reactor.
Elemento de combustibl e de un reactor PF?
En general, un elemento de combustible está constituido por una disposición cuadrangular de las varillas del combustible, aunque debe mencionarse la disposición *eagonal del reactor ruso de agua a presión E?. 7u6etando los tubos guía a las re6illas de soporte de combustible se consigue que los centros de las varillas de combustible y los tubos guía estén a la misma distancia. =odos los elementos de combustible tienen el mismo dise:o mecánico. !lgunos contienen *aces de barras de control y otros contienen venenos consumibles o fuentes neutrónicas. Para asegurar la calidad de los elementos de combustible, se realizan numerosas inspecciones y ensayos tanto de las materias primas como del producto final.
'arras de control Los *aces de barras de control proporcionan un medio rápido para el control de la reacción nuclear, permitiendo efectuar cambios rápidos de potencia del reactor y su parada eventual en caso de emergencia. Están fabricadas con materiales absorbentes de neutrones %carburo de boro o aleaciones de plata, indio y cadmio, entre otros& y suelen tener las mismas dimensiones que los elementos de combustible. La reactividad del n(cleo aumenta o disminuye subiendo o ba6ando las barras de control, es decir, modificando la presencia de material absorbente de neutrones contenido en ellas en el n(cleo. Para que un reactor funcione durante un periodo de tiempo tiene que tener un eceso de reactividad, que es máimo con el combustible fresco y va disminuyendo con la vida del mismo *asta que se anula, momento en el que se *ace la recarga del combustible. En funcionamiento normal, un reactor nuclear tiene las barras de control total o parcialmente etraídas del n(cleo, pero el dise:o de las centrales nucleares es tal que ante un fallo en un sistema de seguridad o de control del reactor, siempre act(a en el sentido de seguridad de reactor introduciéndose totalmente todas las barras de control en el n(cleo y llevando el reactor a parada segura en pocos segundos. Moderador
Los neutrones producidos en la fisión tienen una elevada energía en forma de velocidad. )onviene disminuir su velocidad de modo que aumente la probabilidad de que fisionen otros átomos y no se detenga la reacción en cadena. Esto se consigue mediante c*oques elásticos de los neutrones con los n(cleos del moderador.
Refrigerante La mayor parte de la energía desprendida por fisión es en forma de calor. ! fin de poder emplear éste, por el interior del reactor debe pasar un refrigerante que absorba y transporte dic*o calor. El refrigerante debe ser anticorrosivo, tener una gran capacidad calorífica y no debe absorber neutrones. Los refrigerantes más usuales son gases, como el an*ídrido carbónico y el *elio, y líquidos como el agua ligera y el agua pesada. Cncluso *ay algunos compuestos orgánicos y metales líquidos como el sodio, que también se empleen para este fin.
Reflector Es una reacción nuclear en cadena, un cierto n(mero de neutrones tiende a escapar de la región donde ésta se produce. Esta fuga neutrónica puede minimizarse con la eistencia de un medio reflector, aumentando así la eficiencia del reactor. El medio reflector que rodea al n(cleo debe tener una ba6a sección eficaz de captura para no reducir el n(mero de neutrones y que se refle6en el mayor n(mero posible de ellos. La elección del material depende del tipo de reactor. 7i tenemos un reactor térmico, el reflector puede ser el moderador, pero si tenemos un reactor rápido el material del
reflector debe tener una masa atómica grande para que los neutrones se refle6en en el n(cleo con su velocidad original %dispersión inelástica&.
'linda(e )uando el reactor esté en operación, se genera gran cantidad de radiación. Es necesaria una protección para aislar a los traba6adores de la instalación de las radiaciones ocasionadas por los productos de fisión. Por ello, se coloca un blinda6e biológico alrededor del reactor para interceptar estas emisiones. Los materiales más usados para construir este blinda6e son el *ormigón, el agua y el plomo.
")O# $! R!&C"OR!# N*CL!&R!# Los tipos de reactores nucleares pueden clasificarse ateniéndose a diversos criterios, los más comunes son los siguientes+ •
•
• •
7eg(n la velocidad de los neutrones que producen las reacciones de fisión+ reactores rápidos y reactores térmicos. 7eg(n el combustible utilizado+ reactores de uranio natural, en los que la proporción de uranio /92 en el combustible es la misma que se encuentra en la Gaturaleza, esto es, aproimadamente #,0$, reactores de uranio enriquecido en los que la proporción de uranio /92 se *a aumentado *asta alcanzar un 9 o 1$. @tros utilizan óidos mitos de 5 y P, etc. 7eg(n el moderador utilizado+ los que utilizan agua ligera, agua pesada o grafito. 7eg(n el material usado como refrigerante+ los materiales más utilizados son el agua %ligera o pesada& o un gas %an*ídrido carbónico o *elio&, que a veces act(an simultáneamente como refrigerante y moderador. @tros refrigerantes posibles son+ aire, vapor de agua, metales líquidos o sales fundidas.
>ay varios tipos de centrales nucleares en operación comercial. 7us diferencias estriban en los distintos tipos de reactores que utilizan para producir energía, ya que una vez producido el vapor, todas emplean los mismos sistemas convencionales. )on esta consideración, algunos tipos de centrales o de reactores en operación comercial son+ a& ?eactor de agua a presión %PF?& El reactor de agua a presión es el tipo de reactor más ampliamente utilizado en el mundo y *a sido desarrollado principalmente en Estados 5nidos, ?.H. !lemania, Hrancia y Iapón. En este reactor, el agua se utiliza como moderador y como refrigerante. El combustible es uranio enriquecido, en forma de óido. Las centrales espa:olas de !lmaraz, !scó, andellós CC y =rillo, todas en eplotación, pertenecen a este tipo. El agua de refrigeración que circula a gran presión, lleva la energía generada en el n(cleo del reactor a un intercambiador de calor, donde se produce el vapor que alimentará el turbogrupo.
b& ?eactor de agua en ebullición %
a sido desarrollado en el ?eino 5nido como sucesor del uranio natural;grafito;gas. Las principales diferencias introducidas son que el combustible, en forma de óido de uranio enriquecido, está introducido en tubos de acero inoidable y que la vasi6a, de *ormigón pretensado, contiene en su interior los cambiadores de calor. e& ?eactor refrigerado por gas a temperatura elevada %>=J)?& Este reactor representa la siguiente etapa en la serie de reactores refrigerados por gas. 7e viene desarrollando en ?.H. !lemana, ?eino 5nido y Estados 5nidos. 'ifiere del anterior en tres aspectos principales+ utilización del *elio como refrigerante, en lugar del an*ídrido carbónico, combustible cerámico, en vez de metálico, y temperaturas del gas muc*o más elevadas. f& ?eactor de agua pesada %>F?& Este tipo de reactor *a sido desarrollado principalmente en )anadá. Emplea como combustible uranio natural, en forma de óido, introducido en tubos de circonio aleado. 7u principal característica es el uso de agua pesada como moderador y refrigerante. En su dise:o más com(n, los tubos del combustible están introducidos en una vasi6a que contiene el moderador, agua pesada. El refrigerante, también agua pesada, se mantiene a presión para que no entre en ebullición, produciéndose el vapor en unos cambiadores de calor por los que circula el agua ligera. g& ?eactor reproductor rápido %H
>ay varios dise:os, siendo el ruso y el francés los que se encuentran más avanzados. La principal característica de los reactores rápidos es que no utilizan moderador y que, por tanto, la mayoría de las fisiones se producen por neutrones rápidos. El n(cleo del reactor consta de una zona fisionable, rodeada de una zona fértil en la que el uranio /93 o uranio natural se transforma en plutonio. =ambién puede utilizarse el ciclo uranio /99;torio. El refrigerante es sodio líquido, el vapor se produce en intercambiadores de calor. 7u nombre de Kreproductor alude a que en la zona fértil se produce mayor cantidad de material fisionable que la que consume el reactor en su funcionamiento, es decir más combustible nuevo que el que se gasta. Seguridad, manejo y confinamiento de residuos radiactivos Gestión transporte y almacenamiento de residuos nucleares de baja y media actividad
7e entiende por gestión de residuos nucleares como el con6unto de actividades que conducen a su reutilización, su desaparición o su neutralización y evacuación a lugares adecuados, garantizando la seguridad a largo plazo. El almacenamiento de los residuos nucleares de ba6a y media actividad está basado en la interposición de barreras naturales y artificiales entre dic*os residuos nucleares y el medio ambiente, de modo que estén perfectamente aislados durante el tiempo necesario *asta que su radioactividad decaiga a niveles inofensivos. Para almacenar los residuos radiactivos de ba6a y media actividad generados en Espa:a, EG?E7! dispone del )entro de !lmacenamiento de El )abril, en la provincia de )órdoba, en funcionamiento desde -""/, y con capacidad de llenado *asta /#/#. El transporte de las sustancias radiactivas se realiza seg(n las recomendaciones establecidas por el @rganismo Cnternacional de Energía !tómica %@CE!&. La legislación europea vigente para esta actividad es el !cuerdo Europeo para el =ransporte de Bercancías Peligrosas por )arretera. Gestión de residuos nucleares
La gestión de residuos nucleares engloba todas las tareas administrativas y técnicas necesarias para la manipulación, tratamiento, acondicionamiento, transporte y almacenamiento de los residuos nucleares, teniendo en cuenta tanto los factores económicos como los de seguridad. Aislamiento de residuos nucleares
El aislamiento de residuos nucleares se realiza mediante la interposición de barreras naturales y artificiales entre los residuos radiactivos y el ser *umano, de forma que impidan el escape de radionucleidos al medio ambiente. El ob6etivo es suprimir todas las vías de escape al medio ambiente, impidiendo o retardando la migración de los radionucleidos a través del agua subterránea *acia la superficie.
Las barreras naturales están constituidas por formaciones geológicas diversas, y las barreras artificiales están compuestas por matrices de inmovilización, paredes de *ormigón y arcillas especiales. Las cuatro barreras empleadas son las siguientes+
El acondicionamiento de residuos está constituido por una serie de procesos que van desde la producción de los residuos, *asta que son embidonados, después de su tratamiento e inmovilización. 5n residuo de ba6a y media actividad puede fraccionarse en dos partes, una descontaminada, que contiene casi todo el volumen total del residuo original y posee una ba6a actividad, y una concentrada de peque:o volumen y con actividad próima a la del residuo original, que se transforma en un producto sólido, en el caso de residuos líquidos, o en un sólido compacto en el caso de residuos nucleares sólidos. El acondicionamiento consta de tres fases+ Pretratamiento+ donde se clasifican los residuos nucleares %seg(n actividad, período de semidesintegración y composición química&, se trocean, se descontaminan y se almacenan para decaimiento y transporte. =ratamiento principal+ donde se reduce el volumen del residuo nuclear y se concentra la actividad en dic*o volumen reducido, optimizando así la capacidad de almacenamiento de las instalaciones. En los residuos líquidos, se separa el radionucleido de la solución donde están disueltos mediante precipitación química, centrifugación, filtración, evaporación e intercambio iónico, y posteriormente se concentra. Los residuos sólidos suelen ser compactados, obteniéndose unas peque:as Kpastillas con la suficiente resistencia como para evitar su epansión, que se introducirán en un contenedor de mayor tama:o y se
inmovilizarán con cemento. Los residuos sólidos orgánicos y biológicos, y los líquidos combustibles se incinerarán, inmovilizando también con cemento sus cenizas. Cnmovilización y envasado+ se inmovilizan todos los componentes del residuo mediante procesos de solidificación %con cemento&, de modo que el producto sólido obtenido sea químicamente inerte, resistente al fuego, estable frente a radiaciones, insoluble al agua y conductor del calor residual. El producto sólido y su contenedor se denominan bulto, y garantizan la inmovilidad de los radionucleidos. Almacenamiento de los residuos de baja y media actividad
El almacenamiento de residuos radiactivos de ba6a y media actividad es llevado a cabo en Espa:a en las instalaciones de El )abril, en el término municipal de >ornac*uelos, en )órdoba, en funcionamiento desde -""/. La mayoría de los residuos son trapos de limpieza, filtros e impurezas de circuitos, resinas de intercambio iónico, piezas de instalaciones, etc., procedentes de las centrales nucleares, así como guantes, 6eringuillas, envases, agu6as, residuos biológicos, etc., generados en los *ospitales e industrias. El emplazamiento cuenta con -./## *ectáreas en total, de las cuales /# están destinadas a la instalación La instalación está integrada por los siguientes edificios y estructuras+ Edificio de !condicionamiento de ?esiduos de
radioactividad, así como de un depósito de recogida de aguas donde se concentran todas las tuberías de las celdas de almacenamiento para ser controladas y tratadas si se encontrase alg(n indicio de contaminación. En la actualidad, *ay -1 celdas cerradas de las -8 celdas que constituyen la plataforma norte y están vacías las -/ celdas de la plataforma sur. La velocidad de llenado de las celdas se estima en - celda cada a:o y medio. El )abril tiene capacidad para almacenar unos 2#.### metros c(bicos, volumen que se estima será alcanzado *acia el a:o /#/#. Para garantizar el mínimo impacto medioambiental, se lleva a cabo un Programa de igilancia ?adiológica !mbiental %P?!&, consistente en la toma periódica de muestras y medidas de radioactividad en el aire, las aguas, las plantas y otros seres vivos del entorno, debiéndose mantener los valores medidos por deba6o de los indicados por la reglamentación vigente.
