Centrales nucleares - Perla Azucena Soler

Vista previa del material en texto

Centrales nucleares
9.1 La fisión nuclear
La utilización de la energía nuclear a nivel industrial está basada en el proceso de fisión nuclear, que ha sido una de las realizaciones que ha hecho posible muchas de las aplicaciones pacíficas de la energía nuclear. En la escisión nuclear se produce un defecto másico que se convierte en energía y cuya equivalencia se puede hallar por la ecuación de Einstein, E= me2.
La primera fisión se alcanzó en 1934 y su reacción en cadena se investigó más a fondo en 1939. El 2 de diciembre de 1942, en la universidad de Chicago, un grupo de investigadores bajo la dirección de E. Fermi y de S. Zilard obtiene la primera reacción en cadena controlada. El dispositivo experimental empleado se conoce desde entonces como reactor.
Un reactor nuclear es básicamente una instalación en la que puede iniciarse, mantenerse y controlarse una reacción nuclear de fisión en cadena, con los medios apropiados para extraer el calor generado.
9.1.1 Elementos de un reactor nuclear
9.1.1.1 Combustible
El combustible de un reactor nuclear es un material sólido fisionable (uranio natural, U-238, enriquecido con U-235) en cantidades tales que alcance la masa crítica y dispuesto de tal manera que sea posible extraer rápidamente el calor que se produce en su interior a causa de la reacción en cadena.
9.1.1.2 Moderador
El papel del moderador es el de disminuir la energía cinética de los neutrones (rápidos) que se generan en el proceso de fisión. Al ralentizarlos, aumenta la probabilidad de que al colisionar con otros átomos del combustible sean capturados por ellos y así mantener la reacción en cadena.
Como moderadores se emplean: grafito, agua ligera y agua pesada.
© Los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000.
http://fiee.zoomblog.com
200	Centrales eléctricas
9.1.1.3 Refrigerante
La misión del refrigerante es extraer de una forma rápida la energía que se genera en el reactor. Los refrigerantes deben de cumplir los siguientes requisitos: tener una elevada capacidad calorífica, no ser corrosivos ni para las vainas de los elementos combustibles ni para las partes con las que está en contacto y tener una sección eficaz baja.
Como fluidos refrigerantes se utilizan: Agua ligera, agua pesada y anhídrido carbónico.
9.1.1.4 Reflector
Tiene por misión reducir la fuga de neutrones de la reacción en cadena. Se trata de un material de baja sección eficaz que rodea al reactor cambiando la dirección de muchos de los neutrones que sin él escaparían de la reacción.
9.1.1.5 Blindaje
Es un recubrimiento de protección (blindaje biológico) que envuelve por completo al reactor con el fin de proteger a las personas contra las radiaciones de gran poder de penetración (rayos y y neutrones).
Como materiales de construcción de los blindajes biológicos se utilizan: hormigón, agua y plomo.
9.1.2 Control de los reactores nucleares
Los reactores nucleares deben de mantenerse durante su funcionamiento con un exceso de reactividad sobre su valor crítico que compense las diversas pérdidas de neutrones. Ahora bien, como la reactividad del combustible varía desde un valor máximo para combustible fresco hasta un valor nulo cuando se agota el combustible se ve la necesidad de controlar la fisión para mantener la criticidad.
En los reactores nucleares moderados por agua ligera pueden emplearse varios sistemas de control independientes o simultáneos:
a) Introducir barras de control
Las barras de control están constituidas a base de metales o aleaciones de cadmio, plata o indio de gran sección eficaz. Con estas barras se obtiene un control rápido, pero tiene el inconveniente de producir puntos calientes en los elementos del combustible del reactor por distorsión del flujo neutrónico.
b) Disolver en el moderador un absorbente de neutrones.
Generalmente se emplea ácido bórico. Tiene la ventaja de no producir el efecto anteriormente expuesto de distorsión del flujo neutrónico, pero el control es lento.
© Los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000.
http://fiee.zoomblog.com
Centrales térmicas nucleares	201
9.2 Tipos de reactores nucleares
Los distintos tipos de reactores se obtienen de las diversas combinaciones de combustible, moderador y refrigerante.
Se distinguen los siguientes tipos:
a) Reactor de agua a presión (PWR)
Combustible:	Uranio enriquecido (en forma de óxido)
Moderador:	Agua o grafito
Refrigerante: Agua
Centrales de este tipo: José Cabrera, Almaraz, Aseó, Vandellós II y Trillo.
El agua circula a gran presión desde el núcleo al intercambiador de calor. Son los más ampliamente utilizados
Fig. 9.2.1 Reactor de agua a presión (PWR):1 = Vasija del reactor; 2 = Combustible (uranio enriquecido); 3 = Moderador (grafito); 4 = Refrigerante (agua a 43 bar); 5 = Barras de control; 6 = Blindaje biológico; 7 = Cambiador de calo; 8 = Turbina de vapor; 9 = Generador eléctrico; 10 = Condensador; 11 = Bomba centrífuga de recirculación de agua de la turbina; 12 = Bomba centrífuga de recirculación del refrigerante.
© Los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000.
http://fiee.zoomblog.com
202
Centrales eléctricas
b) Reactor de agua en ebullición (BWR).
· Combustible: Uranio enriquecido (en forma de óxido)
· Moderador: Agua
· Refrigerante: Agua
Centrales de este tipo: Santa María de Garoña y Cofrentes.
El agua hierve en el interior del núcleo del reactor (presión más baja que en el anterior). El vapor generado se separa del caudal de agua refrigerante y se seca, pasando a continuación a la turbina.
Fig. 9.2.2 Reactor de agua en ebullición (BWR):1 = Vasija del reactor; 2 = Combustible (uranio enriquecido); 3 = Moderador (agua natural); 4 = Refrigerante (agua natural); 5 = Barras de control; 6 = Blindaje biológico; 7 = Turbina de vapor; 8 = Generador eléctrico; 9 = Condensador; 10 = Bomba centrífuga de recirculación de agua de la turbina.
c) Reactor de uranio natural, gas y grafito (GCR).
· Combustible: Uranio natural (en forma de metal en tubos de magnox)
· Moderador: Grafito
· Refrigerante: Anhídrido carbónico
Central de este tipo: Vandellós I.
Circuito cambiador de calor: Puede estar en el interior o en el exterior de la vasija.
© Los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000.
http://fiee.zoomblog.com
Centrales térmicas nucleares
203
Fig. 9.2.3 Reactor de uranio natural, gas y grafito (GCR):1 = Vasija del reactor; 2 = Combustible (uranio natural); 3 = Moderador (grafito); 4 = Refrigerante (anhídrido carbónico a 7 bar); 5 = Barras de control; 6 = Blindaje biológico; 7 = Cambiador de calor; 8 = Turbina de vapor; 9 = Generador eléctrico; 10 = Condensador; 11 = Bomba centrífuga de recirculación de agua de la turbina; 12 = Impulsor centrífugo del gas refrigerante.
d) Reactor refrigerado por gas a temperatura elevada (AGR).
· Combustible: Uranio natural (en forma cerámica)
· Moderador: Grafito
· Refrigerante: Helio
Centrales de este tipo se están desarrollando en : Alemania, Reino Unido y Estados Unidos.
e) Reactor de agua pesada (HWR).
· Combustible: Uranio natural (en forma de óxido en tubos de circonio)
· Moderador: Agua pesada
· Refrigerante: Agua pesada
Centrales de este tipo se están desarrollando en : Canadá.
El agua pesada circula a gran presión, para que no hierva desde el núcleo a los intercambiadores de calor.
© Los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000.
http://fiee.zoomblog.com
204
Centrales eléctricas
Fig. 9.2.4 Reactor de agua pesada (HWR):1 = Vasija del reactor; 2 = Combustible (uranio natural); 3 = Moderador (agua pesada); 4 = Refrigerante (agua pesada); 5 = Atmósfera de helio; 6 = Barras de control; 7= Blindaje biológico; 8 = Cambiador de calor; 9 = Turbina de vapor; 10= Generador eléctrico; 11 = Condensador; 12= Bomba centrífuga de recirculación de agua de la turbina; 13 = Bomba centrífuga de recirculación del refrigerante.
f) Reactor reproductor rápido (FBR).
· Combustible: Núcleo de U-235 o Pu-239 rodeado de U-238 o Th-232 (materiales
fértiles) que se transforma en Pu-239 o U-233
· Moderador: No lo utilizan
· Refrigerante: Sodio líquido
Centrales de este tipo se están desarrollando en : Alemania, Francia y Rusia.
Con lo anteriormente expuesto,se puede ver que las centrales nucleares se diferencian de las térmicas convencionales básicamente solo en la manera de proporcionar el calor al agua para que se convierta en vapor y actúe sobre la turbina. El resto de la instalaciones son prácticamente idénticas (figura 9.2.6), y ya han sido tratadas con anterioridad.
© Los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000.
http://fiee.zoomblog.com
Centrales térmicas nucleares
205
Fig. 9.2.5 Reactor reproductor rápido (FBR): 1 = Vasija del reactor; 2 = Núcleo de combustible U-235; 3 = Capas de combustible de U-238; 4 = Refrigerante (sodio); 5 = Barras de control; 6 = Blindaje biológico; 7 = Cambiador de calor intermedio; 8 = Cambiador de calor final; 9 = Turbina de vapor; 10 = Generador eléctrico;11= Condensador; 12 = Bomba centrífuga de recirculación de agua de la turbina; 13 = Bomba electromagnética para la recirculación de la aleación sodio potasio; 14 =Bomba electromagnética para la recirculación del refrigerante (sodio).
Fig. 9.2.6 Elementos diferenciales y comunes entre una central térmica convencional y una nuclear.