Cómo funciona una central nuclear

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Las centrales nucleares son uno de los métodos tecnológicamente más avanzados para generar electricidad en el mundo. Aprovechan la energía liberada por la fisión atómica para producir grandes cantidades de calor, que posteriormente se convierte en electricidad. A pesar de las preocupaciones sobre la seguridad y la gestión de residuos, las centrales nucleares producen energía con mínimas emisiones de gases de efecto invernadero y pueden operar de forma casi continua durante largos periodos.

Principios básicos de la energía nuclear

El funcionamiento de una central nuclear se basa en un proceso natural denominado fisión nuclear. Durante la fisión, un átomo pesado, generalmente uranio-235 o plutonio-239, es impactado por un neutrón y se divide en átomos más pequeños. Este proceso libera enormes cantidades de energía en forma de calor, así como neutrones adicionales que pueden provocar más fisiones, creando una reacción en cadena autosostenida.

La reacción en cadena

Para que una central nuclear funcione de forma segura, la reacción en cadena debe controlarse cuidadosamente. Esto se consigue mediante:

• Barras de control:Están hechos de materiales que absorben neutrones, como el boro o el cadmio.
• Retardadores:Materiales como el agua, el agua pesada o el grafito que ralentizan los neutrones.
• Sistemas de refrigeración:Para eliminar el calor generado y evitar que el núcleo se sobrecaliente.

Las partes principales de una central nuclear

1. El reactor

En el corazón de cada central nuclear se encuentra el reactor nuclear. Esta es la parte donde se produce la fisión nuclear. Está compuesto por:

• Núcleo del reactor: Contiene el combustible nuclear (normalmente uranio enriquecido en forma de pastillas)
• barras de combustible:Tubos metálicos que contienen las pastillas de combustible.
• Barras de control:Regulan la velocidad de la reacción.
• Refrigerante:Generalmente el agua circula dentro del núcleo para absorber el calor.

El reactor está instalado dentro de un recipiente a presión, fabricado en acero de varios centímetros de espesor, que soporta altas presiones y temperaturas.

2. El sistema de generación de vapor

El calor generado en el reactor se transfiere a través del refrigerante a los generadores de vapor. Existen dos tipos principales de sistemas:

• Reactores de agua en ebullición (BWR):El agua hierve directamente en el núcleo del reactor y el vapor impulsa las turbinas.
• Reactores de agua a presión (PWR):El agua en el ciclo primario se mantiene a alta presión y transfiere calor a un circuito secundario, donde se produce vapor.

3. Las turbinas y el generador

El vapor a alta presión producido se dirige a las turbinas, haciéndolas girar. Las turbinas están conectadas a un generador que convierte la energía mecánica de la rotación en energía eléctrica. Este proceso de conversión es similar al utilizado en las centrales eléctricas convencionales que funcionan con carbón o gas natural.

4. El condensador

Tras el giro de las turbinas, el vapor a baja presión pasa por un condensador, donde se enfría y se convierte de nuevo en agua. Esta agua se bombea de vuelta a los generadores de vapor, reiniciando el ciclo. El enfriamiento suele realizarse con agua de lagos, ríos o del mar, o mediante torres de refrigeración que liberan calor al aire.

5. Sistemas de seguridad

Las centrales nucleares disponen de múltiples sistemas de seguridad independientes para prevenir y responder ante posibles accidentes:

• Presas de contención múltiples:Incluye el revestimiento de las barras de combustible, la vasija de presión del reactor y el edificio de contención de hormigón armado.
• Sistemas de refrigeración de emergencia: Proporcionar refrigeración de respaldo al núcleo en caso de una falla del sistema principal
• Sistemas de parada de emergencia:Pueden acabar rápidamente con la reacción en cadena.
• Generadores de energía de respaldo:Garantizar el funcionamiento continuo de los sistemas críticos incluso en caso de un corte de energía.

El ciclo del combustible nuclear

El funcionamiento de una central nuclear forma parte de un ciclo más amplio que incluye:

1. Extracción y procesamiento de uranio

El uranio se extrae de los minerales y luego se procesa para producir un concentrado conocido como “torta amarilla”.

2. Enriquecimiento

El uranio natural contiene aproximadamente 0,71 TP³T del isótopo fisionable U-235. En la mayoría de los reactores, este se enriquece a aproximadamente 3,51 TP³T de U-235.

3. Fabricación de combustible

El uranio enriquecido se convierte en dióxido de uranio (UO₂) y se comprime en pastillas, que luego se colocan en barras de combustible.

4. Uso en el reactor

Las barras de combustible se colocan en el núcleo del reactor, donde permanecen entre 3 y 6 años proporcionando energía.

5. Gestión del combustible gastado

Cuando el combustible deja de ser eficiente, se retira del reactor. El combustible gastado contiene residuos radiactivos que deben gestionarse de forma segura, ya sea almacenándolos en instalaciones especiales o reprocesándolos para recuperar materiales útiles.

Ventajas de la energía nuclear

• Alta densidad energética:El uranio contiene millones de veces más energía por unidad de masa que los combustibles fósiles.
• Bajas emisiones de gases de efecto invernadero:Durante su funcionamiento, las centrales nucleares no producen CO₂
• Producción estable:Las plantas nucleares pueden funcionar continuamente durante meses, independientemente de las condiciones climáticas.
• Pequeña huella de tierra:Producen grandes cantidades de energía en un área relativamente pequeña.

Desafíos y preocupaciones

• Gestión de residuos nuclearesLos residuos radiactivos siguen siendo peligrosos durante miles de años.
• Riesgo de accidentesAunque son poco frecuentes, accidentes como los de Chernóbil y Fukushima tienen graves consecuencias.
• Altos costos de construcción:La construcción de nuevas plantas nucleares requiere enormes inversiones
• Contaminación térmica:La liberación de calor al medio ambiente puede afectar a los ecosistemas locales.

Nuevas tecnologías y perspectivas de futuro

La investigación en el campo de la energía nuclear continúa con el objetivo de abordar los desafíos y mejorar el rendimiento:

• Reactores de cuarta generación:Están diseñados para ser más seguros, más económicos y producir menos residuos.
• Reactores modulares pequeños (SMR):Reactores prefabricados más pequeños que se pueden instalar más rápido y a menor costo
• Fusión:Aunque todavía está en fase experimental, la fusión nuclear promete energía limpia con mínimos residuos.

Conclusiones

Las centrales nucleares son sistemas complejos que convierten la energía de la fisión nuclear en electricidad. A pesar de los desafíos relacionados con la seguridad y la gestión de residuos, siguen desempeñando un papel importante en la matriz energética de muchos países, proporcionando energía fiable y baja en carbono. A medida que avanza la tecnología y aumenta la necesidad de energía limpia, es probable que la energía nuclear siga formando parte de la estrategia global para abordar el cambio climático.