Este documento explora diversas tecnologías fundamentales en el ámbito de la ingeniería, abarcando desde el diseño y funcionamiento de turbinas hidráulicas y aerodinámicas hasta los complejos sistemas auxiliares de las centrales nucleares.

Turbinas Hidráulicas y Aerodinámica

Turbina Banki-Mitchell (OSSBERGER)

El rodete Banki-Mitchell, también conocido como OSSBERGER, está formado por una serie de álabes dispuestos en una corona circular, entre dos discos. La tubería forzada concluye en un inyector troncocónico de sección rectangular con una válvula similar a la de mariposa, pero con un perfil aerodinámico. Esta válvula puede estar dividida en dos partes (de 1/3 y 2/3 de su longitud, respectivamente) por un plano normal a su eje. De esta manera, mediante la actuación sobre una u otra parte del perfil, se posibilita la regulación del caudal a un tercio, dos tercios o la totalidad del caudal normal. Además, el perfil puede girar sobre su eje para obtener una regulación más fina del caudal.

El rodete está compuesto por una serie de álabes o placas alabeadas dispuestos en la periferia de un círculo, unidos mediante dos discos laterales. El agua procedente del inyector incide puntualmente sobre unos álabes del rodete, atravesándolos de manera centrípeta y penetrando en la parte central del mismo. Posteriormente, incide de nuevo sobre otros álabes y los atraviesa, esta vez de manera centrífuga, dirigiéndose finalmente al canal de desagüe. La utilización de este tipo de turbinas se reduce a potencias reducidas, con caudales y alturas pequeñas, siendo por su simplicidad útil para microcentrales.

Turbina STRAFLO

La turbina STRAFLO es la más reciente, experimentada con éxito en la central mareomotriz de Annapolis Royal. Se trata de una turbina apta para un caudal grande con un salto muy reducido, es decir, con una velocidad específica muy elevada. La diferencia con la turbina de bulbo es que el rotor del generador se sitúa en la periferia de la rueda y es solidario a sus álabes, mientras que el estator, lógicamente, se encuentra en su exterior. Los álabes pueden girar para adaptarse a las variaciones de caudal, para lo cual están unidos al rotor mediante una especie de rótula.

Turbina de Bulbo

Con el fin de trabajar con alturas cada vez menores y caudales mayores, y para reducir la pérdida de carga producida en la trayectoria del agua en la turbina Kaplan (que exige cambios fuertes de dirección), se desarrollaron soluciones para disponer el eje de esta última turbina en una posición no estrictamente vertical, logrando trayectorias aún más axiales. Este tipo de turbina tiene la particularidad de disponer, junto al rodete y coaxial con él, un bulbo dentro del cual se aloja el generador eléctrico junto a todos los mecanismos de maniobra, recibiendo de ahí su nombre. Son turbinas axiales, ya que el flujo no cambia sustancialmente de dirección en ningún momento dentro de la turbina, consiguiendo con ello un rendimiento óptimo. El antedistribuidor y el distribuidor, análogos a las turbinas ya conocidas, se apoyan sobre el propio bulbo. Esta turbina funciona tanto como bomba como turbina.

Viaducto de Millau: Aplicación de la Teoría del Ala Portante

El viaducto de Millau se ha diseñado aplicando la teoría hidrodinámica del ala portante, que explica cómo un flujo de aire al pasar sobre un cuerpo perfilado genera diferencias de presión entre la parte superior e inferior del mismo. Cuando el aire fluye alrededor del tablero (comportándose como un ala), se divide en dos trayectorias: una por encima del perfil y otra por debajo. Según el principio de Bernoulli, la velocidad del aire es mayor por la parte superior, lo que implica una presión menor en esa zona. En cambio, la velocidad por la parte inferior es menor y la presión mayor, lo que genera una fuerza de sustentación vertical hacia arriba.

Sin embargo, en una estructura como este viaducto, dicha sustentación puede ser peligrosa, ya que podría provocar una elevación del tablero que comprimiría los tirantes del puente atirantado, diseñados para trabajar únicamente en tracción. Para evitarlo, el perfil del tablero se ha diseñado de forma que la resultante aerodinámica no supere las fuerzas gravitatorias y estructurales hacia abajo. Es decir, la forma del perfil limita la sustentación para mantener los esfuerzos en los cables dentro del régimen de tracción y evitar inestabilidades estructurales.

Teoría del Ala Portante

La teoría hidrodinámica del ala portante se refiere al estudio del comportamiento del flujo alrededor de un álabe, entendido como una superficie curva con perfil aerodinámico, similar al de las alas de los aviones. Esta teoría se basa en la hipótesis de que el flujo es estacionario, incompresible, irrotacional y que no existe fricción. Cuando un perfil alabeado se sitúa en una corriente uniforme, aparece una circulación en el fluido que origina una diferencia de presiones entre el intradós y el extradós del álabe. La presión sobre el extradós es menor que sobre el intradós, debido a que la velocidad en el extradós es mayor, lo que produce una fuerza resultante llamada sustentación. La fuerza que aparece sobre el álabe como consecuencia del campo de presiones es perpendicular a la dirección de la velocidad relativa.

Cada álabe del rodete de una turbomáquina se comporta como un ala portante, cuya misión es cambiar la dirección de la velocidad del fluido. La variación de la dirección de la velocidad produce una variación del momento cinético del fluido, que es la base del intercambio energético entre el fluido y el álabe. El ángulo que forma la velocidad relativa con la cuerda del perfil, conocido como ángulo de ataque, influye decisivamente en la magnitud de la fuerza de sustentación.

Cavitación

La cavitación es la formación de cavidades de vapor y gases en un líquido cuando la presión desciende por debajo de su tensión de vapor. Esto ocurre especialmente en las turbinas de reacción, al generarse una depresión en la salida del rodete para aumentar la energía absorbida. Sin embargo, si la depresión es excesiva, aparece cavitación, lo cual “debe evitarse a toda costa, pues ocasiona grandes trastornos en la máquina”.

El agua libera gases disueltos como el oxígeno al disminuir la presión, provocando procesos de corrosión y erosión. Pero lo más dañino son las implosiones: las burbujas se licúan bruscamente al pasar a zonas de mayor presión, generando choques “que pueden superar los 1000 bares”. Esto provoca fisuras y arranque de material, y un aspecto “como de terrón de azúcar basto”. También se producen ruidos como de gravilla, vibraciones y desalineación de ejes, afectando gravemente al rendimiento y la vida útil de la máquina. Aun así, se intenta trabajar cerca del límite de cavitación para mejorar el rendimiento, realizando ensayos con modelos para evitar que llegue a producirse.

El Rodete

El rodete es el único lugar de la máquina donde se produce la transformación energética fundamental, es decir, donde la energía hidráulica se convierte en mecánica, o a la inversa. Está compuesto por un cubo central unido al eje, una llanta periférica y varios álabes dispuestos entre ambos. Entre el cubo, la llanta y los álabes se forman conductos por donde discurre el fluido. Su misión principal es modificar la dirección y la velocidad del fluido que lo atraviesa, provocando una variación del momento cinético, lo cual permite el intercambio de energía entre el fluido y la máquina.

El funcionamiento correcto del rodete depende de que el fluido entre con la dirección adecuada. En condiciones óptimas, la velocidad relativa del fluido debe ser tangente a los álabes del rodete en la entrada, para evitar choques que ocasionan pérdidas de energía. A medida que el fluido sigue el contorno de los álabes, su trayectoria cambia, y al salir del rodete se busca que la velocidad absoluta sea radial. Esto implica que la componente periférica de la velocidad sea nula, lo que corresponde al punto de máximo rendimiento de la turbomáquina. Existen diferentes tipos de rodetes según la dirección del flujo respecto al eje del rotor:

  • Radiales: Trabajan con caudales pequeños y alturas grandes.
  • Axiales: Trabajan con relaciones caudal/altura elevadas.
  • Diagonales o Mixtos: Se utilizan en situaciones intermedias.

Esta clasificación permite adaptar el diseño del rodete a las condiciones de trabajo de cada máquina. El diseño de los álabes es también fundamental. Normalmente se construyen con entrada redondeada y salida afilada, lo que se denomina perfil de ala de avión, para facilitar el paso del fluido y reducir las pérdidas por fricción o turbulencias. Además, los triángulos de velocidades que representan gráficamente la relación entre la velocidad absoluta, la velocidad relativa y la velocidad de arrastre del rodete son herramientas clave en el estudio y optimización del rendimiento energético de la máquina.

Sistemas de Centrales Nucleares

Reacciones Nucleares

Una reacción nuclear es un proceso que tiene lugar cuando un núcleo reacciona con otro núcleo. Por ejemplo, la desintegración del nitrógeno al bombardearlo con partículas alfa: 7N14 + 2He4 → 8O17 + 1H1, que también puede representarse como: N-14 (α, p) O-17. Otro ejemplo es el bombardeo del paladio (Pd) con neutrones para producir rodio (Rh) y energía: 46Pd106 + n → 45Rh106 + p + β– + ν̄ + 3.54 MeV, donde ν̄ es un antineutrino.

Fisión Nuclear

La fisión nuclear es un proceso en el que un núcleo pesado, como el uranio-235 o el plutonio-239, se divide en dos núcleos más ligeros al absorber un neutrón. Esto libera grandes cantidades de energía debido al defecto de masa, junto con neutrones y radiación. La energía proviene de la energía de enlace nuclear, que es la fuerza que mantiene unido el núcleo. Los neutrones liberados pueden causar fisión en otros núcleos, generando una reacción en cadena. En los reactores nucleares, la fisión se controla mediante barras de control que absorben neutrones y moderadores que reducen su velocidad. Esto permite liberar energía de forma segura para generar electricidad.

Sistemas Auxiliares de Reactores PWR (Agua a Presión)

Los sistemas auxiliares PWR son cruciales para la operación correcta y segura de los reactores de agua a presión.

  • Sistema de Control Químico y Volumétrico (CVCS)

    Es uno de los sistemas auxiliares del primario que permite una operación correcta y segura. Cumple funciones de apoyo en operación normal y funciones de emergencia en caso de accidente, constituyendo parte del sistema de refrigeración de emergencia. Sus funciones son:

    • Mantener el inventario de agua en el sistema de refrigeración del reactor.
    • Mantener el agua del sistema de refrigeración del reactor con unas adecuadas características químicas y radioquímicas.
    • Suministrar agua para el sistema de sellos a las bombas de refrigeración.
    • Ajustar la concentración del veneno neutrónico (ácido bórico) cuando sea necesario para mantener el balance de reactividad y la distribución de flujo neutrónico adecuada.
  • Sistema de Aportación de Ácido Bórico

    Tiene por misión procesar y reciclar agua borada y reducir el contenido de los efluentes químicos y productos radiactivos. Tiene funciones de apoyo al CVCS, como son:

    • Entregar al CVCS disoluciones de ácido bórico adecuadas para variar la concentración de boro del primario o para el llenado del mismo.
    • Garantizar la succión de las bombas de carga del CVCS en operación normal.
  • Sistema de Extracción del Calor Residual (RHRS)

    Consiste en dos trenes iguales y paralelos que aspiran normalmente agua de la rama caliente del sistema de refrigeración del reactor y la descargan en las ramas frías. Consta de dos intercambiadores de calor en paralelo y dos bombas centrífugas. El RHRS es un sistema de baja presión. Entra en funcionamiento cuando la temperatura del agua es de unos 177ºC y la presión de unos 28 kg/cm². El sistema de evacuación del calor residual se emplea para evacuar el calor que se desprende del combustible tras la parada del reactor. A pesar de haber detenido la reacción en cadena, los productos de fisión radiactivos continúan desintegrándose y esto constituye una fuente de calor que hay que evacuar para evitar que el núcleo pueda llegar a fundirse.

Sistema de Instrumentación Nuclear

Para obtener información durante toda la operación de la unidad sobre el nivel de potencia o flujo nuclear, así como su distribución y temperatura de salida del núcleo, se dispone de dos sistemas independientes de instrumentación nuclear: una externa y otra interna. Sus funciones principales son:

  • Medir y vigilar de un modo continuo, en todo el rango de operación de la central, el nivel de potencia (flujo neutrónico) del reactor.
  • Generar las señales adecuadas de alarma y disparo para protección del reactor.
  • Generar señales de control para determinados parámetros de la central.
  • Proporcionar señales audibles y visuales tanto del nivel de potencia como de la velocidad de arranque.

Sistema de Protección del Reactor

El sistema de protección del reactor se encarga de llevar el reactor a una situación segura si se detecta una variación anormal de los parámetros de la planta, con objeto de evitar daños al combustible y a las vainas de combustible e impedir la pérdida de integridad del sistema de refrigeración del reactor.

Sistema de Agua de Refrigeración de Componentes y Sistema de Agua de Servicios

Estos sistemas tienen como misión disipar el calor de aquellos componentes que procesan fluidos radiactivos o que son esenciales para la parada de la central.

Sistemas de Salvaguardias Tecnológicas

Los sistemas de salvaguardias tecnológicas tienen como misión mitigar y controlar las consecuencias de un escape de energía y radiactividad al producirse un accidente grave, generalmente por un accidente con pérdida de refrigerante, denominado LOCA (Loss of Coolant Accident).

Sistema de Vapor Principal y la Contención

El sistema de vapor principal y la contención son elementos clave. La contención alberga el sistema de refrigeración del reactor y diversos sistemas auxiliares, suministrando cimentaciones y apoyos para dichos equipos. Sirve de blindaje en operación normal e impide las fugas de productos contaminantes al exterior.

Sistemas Auxiliares de Reactores BWR (Agua en Ebullición)

Los sistemas auxiliares BWR son esenciales para la seguridad y operación de los reactores de agua en ebullición.

  • Sistema de Refrigeración de Emergencia del Núcleo (ECCS)

    El objetivo del sistema es reducir la liberación a la atmósfera, en caso de accidente de pérdida de refrigerante (LOCA), de los productos radiactivos, para lo cual se intenta mantener en condiciones de integridad la primera barrera, que son las propias vainas de combustible.

  • Sistema de Evacuación de Calor Residual (RHR)

    Los objetivos de este sistema son:

    • Extraer el calor de desintegración de los productos de fisión durante la parada normal y recarga de combustible.
    • Restaurar y mantener el nivel de agua en el reactor en condiciones normales y anormales, de forma que se mantenga la integridad de las vainas de combustible.
    • Limitar la temperatura de la piscina de supresión.
    • Suplementar la capacidad de refrigeración del sistema de purificación y refrigeración de las piscinas de contención y almacenamiento de combustible.
  • Sistema de Refrigeración del Núcleo Aislado (RCIC)

    Sus objetivos son:

    • Mantener suficiente agua en la vasija para refrigerar el núcleo y mantenerlo en espera en condiciones de aislamiento del reactor (en estas condiciones queda aislado del condensador de la turbina y del agua de alimentación).
    • Permitir la parada completa del reactor cuando ha habido interrupción de alimentación de agua a la vasija.
  • Sistema de Purificación del Agua del Reactor (RWCU)

    La misión de este sistema es mantener un alto nivel de pureza en el agua del reactor, eliminando de ella los productos de corrosión y cualquier otra impureza soluble o insoluble. El sistema proporciona además la posibilidad de mantener el inventario de agua en el sistema primario.

  • Sistema de Purificación y Refrigeración de las Piscinas de Combustible y de Contención

    Este sistema se proyecta para mantener pura el agua de las piscinas de la contención y del combustible, así como para evacuar el calor desprendido por los elementos combustibles quemados y el calor que se transfiere a la piscina de la contención desde el denominado “pozo seco” donde se encuentra el reactor.

  • Sistema de Control Líquido de Reserva (SBLC)

    Es una salvaguardia de ingeniería que debe actuar únicamente en caso de no poderse insertar en el núcleo del reactor suficiente número de barras de control para conseguir la parada del mismo y su enfriamiento normal.

  • Contención

    Con el fin de reducir al mínimo el escape al medio ambiente de productos radiactivos, el reactor se rodea de una envoltura denominada contención, de acero al carbono en forma cilíndrica con cúpula elipsoidal y suelo plano (este último denominado “liner”). La parte cilíndrica está anclada a la losa de cimentación del edificio. El pozo seco, los muros de contención y el pedestal del reactor transmiten las cargas a la losa del suelo a través del liner. La totalidad del circuito primario está ubicado en el interior de la contención, que se proyecta para resistir las siguientes cargas:

    • Cargas térmicas
    • Cargas vivas
    • Cargas muertas
    • Cargas sísmicas
    • Fuerza del viento
    • Cargas hidrostáticas
    • Cargas de pretensado