Las centrales nucleares constituyen un tipo específico de instalaciones termoeléctricas; aprovechan una fuente de calor para convertir en vapor a alta temperatura un líquido que circula por una red de conductos. El vapor acciona el grupo turbina-alternador, generando energía eléctrica. La principal diferencia entre centrales nucleares y centrales clásicas es que, en las primeras, la fuente de calor se obtiene a partir de la fisión de núcleos de uranio

(Icnografía tomada de Icarito)

Con el nombre de fisión se conoce la reacción mediante la cual ciertos nucleos de elementos químicos pesados se escinden (se fisionan) en dos fragmentos como consecuencia del impacto de un neutrón. El resultado es la liberación de gran cantidad de energía que se manifiesta en forma de calor. Los neutrones emitidos en la reacción de fisión pueden provocar, a su vez, nuevas fisiones de otros núcleos, siempre que se den determinadas condiciones. El proceso se conoce como reaccción nuclear en cadena. Los descubridores de la reacción nuclear de fisión fueron O. Hahn y F. Strassman, que, en 1938, detectaron la presencia de elementos pequeña masa en una muestra de uranio puro irradiada por neutrones.

Los reactores

Los reactores nucleares son máquinas preparadas para iniciar, mantener y controlar una reacción en cadena de fisión nuclear; en cierto sentido, son las «calderas» de las centrales nucleares. El combustible que se consume en las centrales nucleares es el uranio. A diferencia de lo que ocurre en las instalaciones termoeléctricas convencionales en las primeras no se produce reacción de combustión química alguna. El conjunto de núcleo

 del reactor está contenido en un recipiente de acero de varios metros de diámetro y cuya altura supera, generalmente, los 12 m. Las paredes de la denominada vasija del reactor alcanzan espesores de 25 o 30 cm. La vasija del reactor y el conjunto de conductos por donde circula el líquido refrigerante, denominado circuito primario se encuentran en el edificio de contención, provisto de espesos muros preparados resistir hipotéticos movimientos sísmicos y evitar el escape de radiactividad en caso de accidente. Su forma suele ser esférica y está rematado por una cúpula.

Componentes de una central nuclear

El combustible de la central nuclear, que se encuentra en el núcleo del reactor está formado, habitualmente, por una mezcla de isótopos fisionables e isótopos Dicho combustible ha de ser un elemento fisionable que, en ausencia de neutrones se mantenga estable el mayor tiempo posible, para que pueda ser manipuleado el uranio-233, el uranio-235 y el plutonio-239 son los tres isótopos que cumplen esta condición. Entre ellos, únicamente el uranio-235 se halla presente en la naturaleza (aunque en muy baja proporción: el 0,7% del uranio natural); los otros dos se obtienen de manera artificial, a partir del bombardeo con neutrones del uranio-238 y del torio-232, denominados isótopos fértiles. Por su parte, estos dos últimos son isótopos fisionables con neutrones rápidos. Los neutrones que resultan liberados como consecuencia de la reacción de fisión sufrida por los elementos fisionables pueden golpear, a su vez, a los elementos fértiles, los que, por su parte, dan lugar a nuevos elementos fisionables. En función del tipo de reactor que posea la central nuclear se empleará una clase u otra de combustible. Los más comunes son uranio natural, óxido de uranio natural y óxido de uranio enriquecido en su isótopo 235U. Habitualmente, el combustible se presenta en forma de pastillas incorporadas en el interior de vainas de acero inoxidable, de 1 cm. de diámetro y 4 o 5 m de longitud. Las vainas forman conjuntos de sección cuadrada o circular, denominados elementos de combustible.

El moderador es otro de los elementos básicos de la central nuclear; se trata de un mecanismo que controla la velocidad con que los neutrones impactan en nuevos núcleos de uranio. La presencia de determinadas sustancias, como el agua pesada, el berilio, el grafito o el agua ligera aseguran este proceso. El berilio es el menos empleado, debido a su elevada toxicidad.

El tercer componente fundamental son las barras de control, que se encuentran en el núcleo del reactor. Las barras de control permiten regular el nivel de potencia de aquél. La potencia del reactor depende del calor generado en su núcleo, que se encuentra, a su vez, en relación con el número de neutrones que se ponen en acción durante la reacción de fisión en cadena. Cuanto menor es el número de neutrones menor es la energía calorífica y, consecuentemente, la potencia.

Si no se actúa sobre el número de neutrones que se ponen en acción durante la reacción en cadena se logra el efecto contrario. Para regular el número de neutrones, se insertan en el núcleo determinadas sustancias que los absorben parcialmente; dichas sustancias reciben el nombre de barras de control del reactor. Cuando las barras se encuentran totalmente introducidas en el núcleo del reactor, la absorción de neutrones intensa que el proceso de reacción en cadena no continúa. A la inversa, que se van retirando, el número de neutrones que se ponen en acción se incrementa, consiguiéndose así el restablecimiento de la reacción en cadena.

Generalmente las barras de control se fabrican a partir de la aleación de cadmio con plata, se incorporan berilio y aluminio, con el objetivo de incrementar su resistencia su resistencia a la corrosión. Es también habitual la aleación de boro con acero. La extracción del calor del núcleo y su transporte hasta el grupo turbo-alternador se realiza a través de un fluido refrigerante, que se encuentra también en el interior del núcleo, en contacto con los elementos de combustible, el moderador y las de control. El líquido refrigerante traslada el calor generado en el núcleo, de ra directa o bien a través de un circuito secundario, hasta el conjunto turbina-alternador, retornando posteriormente al núcleo del reactor, donde comienza nuevamente y el proceso. Como refrigerantes más habituales hay que mencionar el agua ligera, el agua pesada, el Sodio, el litio y el potasio (todos ellos líquidos), así como el nitrógeno, el helio, el hidrógeno y el dióxido de carbono (entre los gaseosos).

OTRAS INSTALACIONES

Junto al edificio de contención, las centrales nucleares poseen instalaciones destinadas a operaciones concretas. El edificio de turbinas contiene el grupo o grupos turbina-alternador. En las centrales con sistemas de refrigeración integrados por un único circuito, el edificio está protegido, puesto que el vapor que mueve los alabes de la turbina puede arrastrar elementos radiactivos. Los reactores provistos de dos circuitos de refrigeración no precisan de este control, dado que el líquido del circuito secundario no entra en contacto con el refrigerante del reactor y, consecuentemente, no transporta elementos radiactivos.

En el recinto de manipulación de combustible se almacenan las nuevas cargas de este elemento así como combustible ya empleado, que, posteriormente, se traslada al centro de reprocesamiento para extraer de él los materiales aprovechables. Este edificio y el de contención están interconectados para asegurar el traslado de elementos radiactivos sin salir de la zona controlada de la central, que se encuentra aislada de las restantes de dependencias. Las centrales nucleares cuentan, asimismo, con un sistema que permite refrigerar el vapor a alta temperatura que acciona los alabes de la turbina antes de que éste retorne al reactor, donde se reinicia el ciclo productivo. Finalmente, existen en una planta nuclear edificios de salvaguardia y equipos auxiliares, donde se los sistemas de emergencia (para los casos de avería) y los sistemas auxiliares propiamente dichos (recarga del combustible, puesta en marcha del reactor, etc.

dependencias destinadas al tratamiento de aguas y al almacenamiento temporal de residuos, laboratorios, talleres y un parque eléctrico propio —empleado para las operaciones de parada segura del reactor en casos de emergencia— completan las instalaciones y edificios de una central nuclear.

Funcionamiento de una central nuclear

Una vez que se ha realizado la carga de combustible en el reactor se inicia la reacción de fisión en cadena mediante un isótopo generador de neutrones, que permite la entrada en actividad de los átomos de uranio contenidos en el combustible. El moderador proporciona a los neutrones el nivel de energía cinética que garantiza la Continuidad de la reacción en cadena. Las barras de control se introducen en el núcleo del reactor en mayor o menor medida, para absorber más o menos neutrones y mantener el grado de Potencia adecuado.

Las continuas reacciones de fisión que se verifican en el núcleo determinan grandes cantidades de energía en forma de calor. Esta energía calorífica eleva la temperatura del fluido refrigerante que circula por la red de conductores A partir de aquí, en función del tipo de reactor, el proceso varía.

En los reactores de agua a presión, el fluido (agua ligera) circula de manera continua por un circuito primario cerrado, que conduce el refrigerante hasta el generador de vapor. Allí, el fluido a elevada temperatura convierte en vapor el agua que circula por un circuito secundario también cerrado. El agua del primer circuito no entra nunca en contacto con la del segundo.

Por su parte, el vapor de agua del circuito secundario es enviado al grupo o grupos turbina-alternador En los reactores de agua en ebullición sólo existe un circuito; el propio refrigerante se convierte en vapor por efecto del calor, en la misma vasija, y es enviado al grupo turbina-alternador Tras accionarlo, el fluido se refrigera y se condensa de nuevo, para volver al núcleo y reiniciar el proceso. En ambos casos, el vapor mueve los alabes , la turbina y el alternador unido a ella generando energía eléctrica como resultado de un ciclo termodinámico convencional. En los reactores de agua a presión, el fluido refrigerante, una vez que ha vaporizado el agua del circuito secundario, retorna al núcleo del reactor El vapor, tras accionar el grupo turbina-alternador es enfriado nuevamente y vuelve a su estado líquido, para pasar inmediatamente por una batería de precalentadores. A continuación retorna al generador de vapor, para repetir el ciclo.