Las centrales nucleares son un tipo de central eléctrica que utiliza el proceso de fisión nuclear para generar electricidad. Para ello utilizan reactores nucleares en combinación con el ciclo Rankine, en el que el calor generado por el reactor convierte el agua en vapor, que hace girar una turbina y un generador. La energía nuclear proporciona al mundo alrededor del 11% de su electricidad total, siendo los mayores productores Estados Unidos y Francia.[1]

Fig. 1. La central nuclear de Darlington, en Ontario, produce energía con cuatro reactores CANDU de 878 MW.[2]

Aparte de la fuente de calor, las centrales nucleares son muy similares a las de carbón. Sin embargo, requieren medidas de seguridad diferentes, ya que el uso de combustible nuclear tiene propiedades muy diferentes a las del carbón u otros combustibles fósiles. Obtienen su potencia térmica a partir de la división de los núcleos de los átomos en el núcleo (centro) de su reactor, siendo el uranio la opción dominante de combustible en el mundo actual. El torio también tiene un uso potencial en la producción de energía nuclear, aunque actualmente no se utiliza. A continuación se muestra el funcionamiento básico de una central de agua en ebullición, que muestra los numerosos componentes de una central, junto con la generación de electricidad.

Fig. 2. Un reactor nuclear de agua en ebullición en combinación con el ciclo Rankine constituye la base de una central nuclear.[3]

Componentes y Operación

Reactor Nuclear

artículo principal

El reactor es un componente clave de una central eléctrica, ya que contiene el combustible y su reacción nuclear en cadena, junto con todos los residuos nucleares. El reactor es la fuente de calor de la central, al igual que la caldera en una central de carbón. El uranio es el combustible nuclear dominante utilizado en los reactores nucleares, y sus reacciones de fisión son las que producen el calor dentro de un reactor. Este calor se transfiere al refrigerante del reactor, que proporciona calor a otras partes de la central nuclear.

Además de su uso en la generación de energía, hay otros tipos de reactores nucleares que se utilizan para la fabricación de plutonio, la propulsión de barcos, aviones y satélites, junto con la investigación y los fines médicos.[4] La central eléctrica abarca no sólo el reactor, sino también las torres de refrigeración, las turbinas, los generadores y diversos sistemas de seguridad. El reactor es lo que la diferencia de otros motores térmicos externos.

Generación de Vapor

La producción de vapor es común a todas las centrales nucleares, pero la forma de hacerlo varía enormemente.

Fig. 3. Turbina de vapor en una central eléctrica.[5]

Las centrales eléctricas más comunes del mundo utilizan reactores de agua a presión, que emplean dos bucles de agua circulante para producir vapor.[6] El primer bucle transporta agua líquida extremadamente caliente a un intercambiador de calor, donde circula agua a una presión más baja. A continuación, se calienta y hierve hasta convertirse en vapor, y puede enviarse a la sección de la turbina.

Los reactores de agua en ebullición, el segundo reactor más común en la generación de energía, calientan el agua del núcleo (es decir, el centro del reactor) directamente hasta convertirla en vapor, como se ve en la Fig. 2.[6]

Turbina y Generador

Fig. 4. Dos torres de refrigeración de una central nuclear.[7]

Una vez producido el vapor, éste viaja a altas presiones y velocidades a través de una o varias turbinas. Éstas alcanzan velocidades extremadamente altas, lo que hace que el vapor pierda energía y, por tanto, se condense hasta convertirse en agua líquida más fría. La rotación de las turbinas se utiliza para hacer girar un generador eléctrico, que produce electricidad que se envía a la red eléctrica.[8]

Torres de Refrigeración

Quizás el símbolo más emblemático de una central nuclear sean las torres de refrigeración, que se ven en la Fig. 4. Funcionan para rechazar el calor residual a la atmósfera mediante la transferencia de calor del agua caliente (de la sección de turbinas) al aire exterior más frío.[4] El agua caliente se enfría en contacto con el aire y una pequeña parte, alrededor del 2%, se evapora y sube por la parte superior. Además, estas plantas no liberan dióxido de carbono, el principal gas de efecto invernadero que contribuye al cambio climático. Haga clic aquí para ver cómo funciona una torre de refrigeración.

Muchas centrales nucleares simplemente depositan el calor residual en un río, lago u océano en lugar de tener torres de refrigeración. Muchas otras centrales, como las de carbón, también tienen torres de refrigeración o estas grandes masas de agua. Esta similitud se debe a que el proceso de transformación del calor en electricidad es casi idéntico entre las centrales nucleares y las de carbón.

Eficiencia

La eficiencia de una central nuclear se determina de forma similar a la de otros motores térmicos, ya que técnicamente la central es un gran motor térmico. La cantidad de potencia eléctrica producida por cada unidad de potencia térmica da a la central su eficiencia térmica, y debido a la segunda ley de la termodinámica hay un límite superior a la eficiencia que pueden tener estas centrales.

Las centrales nucleares típicas alcanzan una eficiencia de entre el 33 y el 37%, comparable a la de las centrales de combustible fósil. Los diseños más modernos y de mayor temperatura, como los reactores nucleares de cuarta generación, podrían alcanzar una eficiencia superior al 45%.[6]

Ver lecturas adicionales

En las siguientes páginas encontrará mucha más información sobre la ciencia nuclear y su papel en la industria energética.

Referencias

  1. IEA (2014), "World energy balances", IEA World Energy Statistics and Balances (database). DOI: http://dx.doi.org.ezproxy.lib.ucalgary.ca/10.1787/data-00512-en (Accessed February 2015)
  2. Wikimedia Commons [Online], Available: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/58/Darlington_Nuclear_Generating_Station_panorama2.jpg
  3. NRC. (June 25 2015). Boiling Water Reactor [Online], Available: http://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/students/animated-bwr.html
  4. 4,0 4,1 J.R. Lamarsh and A.J. Baratta, "Non-Nuclear Components of Nuclear Power Plants" in Introduction to Nuclear Engineering, 3rd ed., Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2001, ch.4, sec.3, pp. 129-133
  5. wikimedia Commons [Online], Available: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/79/Dampfturbine_Montage01.jpg
  6. 6,0 6,1 6,2 World Nuclear Association. (June 30 2015). Nuclear Power Reactors [Online], Available: http://www.world-nuclear.org/info/Nuclear-Fuel-Cycle/Power-Reactors/Nuclear-Power-Reactors/
  7. Michael Kappel on Flickr [Online], Available: https://www.flickr.com/photos/m-i-k-e/6541544889
  8. J.R. Lamarsh and A.J. Baratta, "Power Reactors and Nuclear Steam Supply Systems" in Introduction to Nuclear Engineering, 3rd ed., Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2001, ch.4, sec.5, pp. 136-185