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Componentes y Procesos Clave en Centrales Nucleares
Torres de Refrigeración: Componentes y Funcionamiento
Las torres de refrigeración están frecuentemente incluidas en el sistema de refrigeración del condensador de las centrales nucleares. Pueden ser húmedas o secas, dependiendo de si el agua a refrigerar está o no en contacto directo con el aire; y de tiro mecánico o natural, según si emplean ventiladores para generar el movimiento de aire.
Tipos de Torres de Refrigeración
Torres de Tiro Natural
Son de gran tamaño (superiores a 100 metros de altura). Su estructura típica es un hiperboloide de revolución, construido con láminas de hormigón en forma de chimenea. Debido a su tamaño y a que no están diseñadas para soportar sismos, se construyen alejadas de la isla nuclear para evitar que, en caso de accidente, afecten a los edificios de seguridad.
Torres de Tiro Mecánico
Suelen ser de poca altura y se disponen contiguas a la planta.
Consideraciones de Diseño y Cargas
Para su dimensionamiento, es necesario considerar todas las solicitaciones posibles, siendo las más importantes:
- El peso propio de la estructura.
- La carga de viento.
- Las variaciones de temperatura.
- Las cargas sísmicas.
- Las cargas de construcción.
Perfil de la Carga de Viento
La carga de viento es proporcional al cuadrado de la velocidad del viento y se expresa como: P = 1/2 * ρ * V² * Cd.
Funcionamiento de las Torres de Convección Natural
El agua caliente procedente del condensador se pulveriza en la parte superior de la torre y se enfría en contacto con una corriente de aire ascendente generada por convección natural. El aire enfría el agua por contacto directo, evaporándose parcialmente y disminuyendo su temperatura antes de ser recogida en la parte inferior.
Las torres de convección natural se basan en la diferencia de temperatura entre el aire ambiente y el aire más caliente dentro de la torre. Mientras el aire caliente asciende, el aire frío es introducido en la torre por una entrada en la parte baja.
Factores Clave para la Convección Natural
Existen dos factores responsables de generar la convección natural:
- Un incremento de temperatura y humedad que disminuye la densidad del aire.
- La velocidad del aire en la base de la torre.
Ventajas de la Forma Hiperboloide de Revolución
La forma del hiperboloide de revolución ofrece varias ventajas:
- Mayor capacidad en el área de la base de la envolvente.
- El aire entrante es dirigido hacia el centro gracias a la forma de los muros, lo que produce una fuerte corriente hacia arriba.
- Mejora la fuerza estructural y la estabilidad de la envolvente.
La torre está soportada por columnas de hormigón, y la envolvente de hormigón puede alcanzar alturas de hasta 200 metros, con velocidades del aire de 1 a 1,5 m/s. El elemento principal de la torre de refrigeración es la envolvente, generada por la rotación del hiperboloide.
Combustible Nuclear: Propiedades y Ciclo
El combustible nuclear se refiere a las sustancias capaces de producir energía mediante un proceso de fisión nuclear, aunque también se pueden considerar aquellos utilizados en procesos de fusión.
Actualmente, los combustibles nucleares más utilizados son el uranio natural, el uranio ligeramente enriquecido, el uranio altamente enriquecido, o una mezcla de uranio y plutonio ligeramente enriquecidos.
Propiedades de un Combustible Nuclear Satisfactorio
Para que un material sea considerado un combustible nuclear satisfactorio, debe reunir las siguientes propiedades:
- Capacidad de mantener una reacción en cadena controlada.
- Propiedades de transmisión de calor que permitan la obtención de altas densidades de potencia en el reactor.
- Ser resistente al deterioro por irradiación.
- Ser químicamente estable.
- Sus propiedades físicas y mecánicas deben permitir la fabricación económica del combustible.
Cambios Durante la Irradiación del Combustible
Durante la irradiación del combustible nuclear, se producen una serie de cambios en su composición isotópica que deben ser estudiados y considerados. Estos cambios incluyen:
- Pérdida de elementos fisionables.
- Generación de productos de fisión y venenos neutrónicos.
- Formación de elementos transuránicos.
- Generación de productos de activación.
Combustible Gastado
Un elemento combustible se considera gastado cuando el aumento de los productos de fisión y la disminución del U-235 consumido impiden el mantenimiento de la reacción en cadena de fisiones. Este combustible irradiado produce calor y radiaciones.
Tratamiento del Combustible Nuclear Irradiado
El tratamiento del combustible irradiado consiste en una secuencia de operaciones a las que se someten los combustibles nucleares usados para recuperar los materiales fisionables presentes (uranio y plutonio), descontaminándolos y purificándolos de los productos de fisión, con el fin de emplearlos en la fabricación de nuevos elementos combustibles.
Los futuros elementos combustibles nucleares se diseñarán para ser más seguros, eficientes, sostenibles y resistentes a la proliferación nuclear.
Fisión Nuclear: Proceso y Aplicaciones
La fisión nuclear es un proceso en el que un neutrón lento impacta un núcleo pesado de Uranio-235. El proceso se desarrolla en las siguientes etapas:
- El núcleo se vuelve inestable y se divide en dos núcleos más ligeros (como Bario-141 y Kriptón-92).
- Se liberan 2-3 neutrones adicionales y una gran cantidad de energía debido al defecto de masa y la radiación.
- Los neutrones liberados pueden provocar más fisiones, iniciando una reacción en cadena controlada (dentro del reactor).
Es la reacción principal en reactores nucleares y bombas atómicas.
Origen y Extracción de la Energía de Fisión
¿De dónde procede la energía?
Proviene de la energía de enlace nuclear, que es la fuerza que mantiene unido el núcleo.
¿Cómo se extrae la energía?
En una central PWR (Reactor de Agua a Presión), el calor generado por la fisión calienta el agua del circuito primario, que transfiere la energía al secundario, generando vapor que acciona una turbina para producir electricidad.
¿Cómo se controla la reacción?
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.
Otros Procesos Nucleares Relevantes
Fusión Nuclear
Consiste en la combinación de dos núcleos ligeros (como Deuterio y Tritio) para formar uno más pesado (como Helio), liberando aún más energía que la fisión. Su aplicación es la base de la energía solar y de las bombas de hidrógeno. Actualmente, se encuentra en fase experimental para la producción de energía.
Captura de Neutrones
Ocurre cuando un núcleo absorbe un neutrón sin dividirse. Puede volverse inestable y sufrir una desintegración beta. Se utiliza en la producción de isótopos radiactivos y en el control de reactores.
Desintegración Radiactiva
Es el proceso por el cual un núcleo atómico inestable pierde energía emitiendo radiación. Existen varios tipos:
- Alfa (α): Emisión de un núcleo de helio.
- Beta (β⁻ o β⁺): Conversión de un neutrón en protón o viceversa con emisión de electrones o positrones.
- Gamma (γ): Emisión de energía sin cambio en el número atómico o másico.
Está presente en residuos nucleares y procesos naturales de decaimiento.
Ejemplo Real: Central Nuclear PWR
Un ejemplo real de aplicación de la fisión nuclear es el reactor de agua a presión (PWR), como la central nuclear de Almaraz (España). En este tipo de reactor, se emplea uranio-235 ligeramente enriquecido como combustible. El calor generado por la fisión calienta el agua del circuito primario, que transfiere la energía al secundario, generando vapor que acciona una turbina para producir electricidad.
Bombas de Chorro en Reactores Nucleares
Las bombas de chorro son dispositivos en los que un fluido a presión se inyecta a través de un orificio estrecho, creando una zona de baja presión que aspira otro fluido (normalmente agua contaminada). Ambos fluidos se mezclan, permitiendo su transporte sin necesidad de componentes móviles.
Se utilizan especialmente en reactores de agua en ebullición (BWR), donde se requiere una gestión cuidadosa del agua radiactiva.
Forman parte del sistema de recirculación y se encuentran en el interior del reactor, situadas en la zona anular entre la envolvente y la vasija, sin tener partes móviles. Cada dos bombas son alimentadas por una única tubería que atraviesa la vasija, conectándose a una tubería de distribución unida a la descarga de la bomba.
Flujo de Agua a Través del Núcleo
Los posibles caminos del agua que fluye a través del núcleo son:
- Una parte se transforma en vapor y vuelve a la vasija después de haberse condensado.
- Otra parte es extraída de la vasija y recirculada a través de las bombas de chorro al núcleo.
- El resto es absorbida por las bombas de chorro del anillo e inyectada a la cámara de aspiración.
Este sistema puede controlar la potencia generada en el núcleo con grandes márgenes. Para ello, se modifica el flujo del refrigerante que pasa a través del reactor abriendo o cerrando la válvula de control.
Gestión de Residuos Radiactivos: Clasificación y Etapas
La gestión de residuos radiactivos es crucial. Estos pueden ser clasificados según:
Estado Físico
Pueden ser sólidos, líquidos y gaseosos.
Tipo de Radiación Emitida
Los radionucleidos pueden desintegrarse de diferentes formas, dando lugar a la emisión de diversas partículas o rayos. Pueden ser emisiones alfa, beta y gamma.
Periodo de Semidesintegración
Tiempo necesario para que la mitad de los átomos de una muestra radiactiva se desintegren.
Concentración de Actividad
Se pueden clasificar por unidad de masa o de volumen de material radiactivo.
Radiotoxicidad
Pueden ser:
- Grupo A: Alta toxicidad.
- Grupo B: Media y alta toxicidad.
- Grupo C: Media y baja toxicidad.
- Grupo D: Baja toxicidad.
Generación de Residuos Radiactivos
Se generan en las siguientes actividades:
- Producción de energía eléctrica de origen nuclear.
- Aplicaciones de los radioisótopos en la medicina, industria e investigación.
- Clausura de instalaciones nucleares y radiactivas.
- Otras industrias que utilizan materias primas que contienen radionucleidos de origen natural.
Etapas de la Gestión de Residuos
Las etapas de gestión son:
- Minimización de los residuos en cantidad y actividad a un nivel tan bajo como sea posible.
- El tratamiento previo de estos, que es la primera etapa de la gestión de residuos radiactivos después de su generación.
- Operaciones cuya finalidad es lograr una mayor seguridad o eficiencia económica modificando las características de los residuos.
- Acondicionamiento de los residuos con el fin de dar una forma adecuada para su manipulación, transporte, almacenamiento y evacuación.
- Almacenamiento temporal.
- Transporte fuera de la instalación.
- Colocación de los residuos en un almacén definitivo con una garantía razonable de seguridad.
Sistemas Auxiliares en Centrales Nucleares
Los sistemas auxiliares son esenciales para el buen funcionamiento de una central nuclear, aunque no intervienen directamente en el proceso de transformación de energía. Los más importantes son:
Sistema de Control Químico y Volumétrico
Es uno de los sistemas auxiliares del circuito primario que permite una operación correcta y segura. Cumple funciones de apoyo en operación y de emergencia en caso de accidente.
Sistema de Aportación de Ácido Bórico
Tiene como misión procesar y reciclar agua borada, y reducir el contenido de los efluentes químicos y productos radiactivos. Cumple funciones de apoyo al sistema anterior.
Sistema de Extracción de Calor Residual
Consiste en dos trenes iguales y paralelos que aspiran agua de la rama caliente del sistema de refrigeración del reactor y la descargan en las ramas frías. Se utiliza para evacuar el calor del combustible tras la parada del reactor.