Centrales nucleares: ¿Cómo funcionan?

En anteriores entregas de la serie hablábamos sobre los aspectos relacionados con la generación de energía a partir del combustible nuclear: la gestión de residuos radiactivos, la fabricación del combustible, la minería del uranio, la fisión nuclear… Pero hay un aspecto que no habíamos tratado todavía, y es el del funcionamiento de una central nuclear: ¿Cómo se produce la electricidad de origen nuclear?

Las centrales nucleares pertenecen al selecto grupo de las centrales térmicas, junto con las de carbón y las de gas nos aportan la potencia térmica de la que ya hemos hablado en anteriores entregas de la serie.

Mientras que en las centrales térmicas convencionales el combustible es quemado: el carbón en una caldera u hogar y el gas natural en una cámara de combustión; en las centrales nucleares el combustible se desintegra mediante reacciones de fisión, que son las que nos aportan el calor necesario para el aprovechamiento de energía en el ciclo termodinámico de vapor.

Por tanto, en las centrales nucleares nuestra caldera es el reactor nuclear y nuestro combustible no se quema sino que se fisiona.

A pesar de las distintas configuraciones que presentan los reactores nucleares, la mayoría tienen varios elementos comunes que determinan su funcionamiento:

Combustible (5): puede ser desde uranio natural, pasando por óxidos de uranio u óxidos mixtos de uranio y plutonio;

Moderador (4): situado entre las barras de combustible puede ser de agua (ligera o pesada) o grafito, tiene la finalidad de disminuir la energía cinética de los neutrones y aumentar así la probabilidad de que sean capturados por otro núcleo fisionable para que no se rompa la reacción en cadena;

Refrigerante (6): su misión consiste en extraer el calor producido en la fisión, por lo que debe tener una gran capacidad calorífica sin ser corrosivo ni absorber neutrones; el agua o el anhídrido carbónico son los más utilizados;

Reflector (3): reduce la fuga de neutrones evitando que se atenúe la reacción en cadena;

Blindaje o protección biológica (2): compuesto por hormigón, agua, plomo o una combinación de algunos de ellos o todos, aísla el reactor del exterior e impide que la radiación afecte a las personas o materiales de los alrededores;

Barras de control (1): formadas por materiales absorbentes de neutrones, se insertan en el núcleo del reactor cuando es necesario frenar o atenuar la reacción en cadena.

Como ya se dijo en el artículo dedicado a la fisión nuclear, una central nuclear se caracteriza por el aprovechamiento del calor producido a causa de la ruptura de los núcleos atómicos que forman el combustible. Para que ese aprovechamiento se pueda efectuar, tenemos que conseguir que la reacción en cadena sea constante y autosostenida, además de ser capaces de controlarla adecuadamente en caso de necesidad.

Un aspecto muy importante de la reacción en cadena es su criticidad, la relación que existe entre los neutrones de dos generaciones sucesivas.

Si el número de neutrones que se produce es igual al que se consume, el reactor se encontrará en estado crítico y aportará una potencia térmica estable. Las centrales que operan en condiciones normales se encontrarán en estado crítico.

Si los neutrones absorbidos por otros núcleos y por los materiales de los distintos componentes superan a los que se producen, la reacción en cadena no se podrá mantener y la potencia que suministra el reactor será cada vez menor. Este estado se denomina subcrítico y se produce en las paradas y los arranques de los reactores.

Finalmente, si la reacción produce más neutrones de los que se absorben, el estado será supercrítico y se producirá una potencia creciente. En estos casos se utilizarán las barras de control para que la reacción se atenúe y volver a un estado crítico o subcrítico.

Existe un gran número de configuraciones en los reactores comerciales, aunque son dos tecnologías las que se encuentran con mayor frecuencia en las centrales en uso y, sobre todo, en nuestro país: BWR y PWR.

Las siglas BWR corresponden a Boiling Water Reactor, o Reactor de Agua en Ebullición. En estos reactores solo encontramos dos circuitos de agua: el que refrigera el núcleo y conduce el vapor generado a la turbina y el circuito de refrigeración que condensa dicho vapor. En este tipo de reactores, el vapor se genera dentro de la vasija del reactor y es conducido a la turbina.

Los reactores PWR, Pressurized Water Reactor o Reactor de Agua a Presión, constan de tres circuitos de agua: el que refrigera el núcleo del reactor, el generador de vapor y el del condensador. En este caso, el circuito de agua que se encuentra en el interior de la vasija está presurizado y se mantiene en estado líquido; este circuito de agua será el que cederá el calor del núcleo al generador de vapor que lo conducirá a la turbina.

En España, de los siete reactores nucleares que se encuentran actualmente en operación, solo uno lo hace con la tecnología BWR: Cofrentes. Hasta diciembre de 2012 el número ascendía a dos, ya que la central nuclear de Santa María de Garoña también contaba con esta tecnología. El resto de reactores tienen una configuración PWR.

Lo que ocurre fuera del reactor es ya muy similar al resto de centrales térmicas: una fuente de energía aporta calor a un fluido que se turbina para crear una corriente inducida en los bornes de un alternador.

Silvia Alba

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