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Flanqueado por torres de enfriamiento , un reactor nuclear está contenido dentro de un edificio de contención esférico

Una central nuclear (a veces abreviada como NPP ) [1] es una central térmica en la que la fuente de calor es un reactor nuclear . Como es típico en las centrales térmicas, el calor se utiliza para generar vapor que impulsa una turbina de vapor conectada a un generador que produce electricidad . A partir de 2018 , la Agencia Internacional de Energía Atómica informó que había 450 reactores de energía nuclear en funcionamiento en 30 países de todo el mundo. [2] [3]

Las plantas nucleares suelen considerarse estaciones de carga base , ya que el combustible es una pequeña parte del coste de producción [4] y porque no pueden despacharse fácil o rápidamente . Sus operaciones, mantenimiento y costos de combustible se encuentran en el extremo inferior del espectro, lo que los hace adecuados como proveedores de energía de carga base. Sin embargo, el costo del almacenamiento adecuado de desechos radiactivos a largo plazo es incierto.

Historia [ editar ]

Artículo principal: Energía nuclear § Historia

La electricidad fue generada por un reactor nuclear por primera vez el 3 de septiembre de 1948, en el Reactor de Grafito X-10 en Oak Ridge, Tennessee , EE. UU., Que fue la primera central nuclear en encender una bombilla. [5] [6] [7] El segundo experimento, bastante más grande, ocurrió el 20 de diciembre de 1951, en la estación experimental EBR-I cerca de Arco, Idaho .

El 27 de junio de 1954, la primera central nuclear del mundo en generar electricidad para una red eléctrica , la central nuclear de Obninsk , inició sus operaciones en Obninsk de la Unión Soviética. [8] La primera central eléctrica a gran escala del mundo, Calder Hall en el Reino Unido, se inauguró el 17 de octubre de 1956. [9] La primera central eléctrica a gran escala del mundo dedicada exclusivamente a la producción de electricidad. Calder Hall también estaba destinada a producir plutonio. la Central de Energía Atómica de Shippingport en Pensilvania, Estados Unidos, se conectó a la red el 18 de diciembre de 1957.

Componentes básicos [ editar ]

Sistemas [ editar ]

Reactor de agua hirviendo

La conversión a energía eléctrica se realiza de forma indirecta, como en las centrales térmicas convencionales. La fisión en un reactor nuclear calienta el refrigerante del reactor. El refrigerante puede ser agua o gas, o incluso metal líquido, según el tipo de reactor. El refrigerante del reactor luego pasa a un generador de vapor y calienta el agua para producir vapor. El vapor presurizado generalmente se alimenta a una turbina de vapor de varias etapas . Una vez que la turbina de vapor se ha expandido y condensado parcialmente el vapor, el vapor restante se condensa en un condensador. El condensador es un intercambiador de calor que está conectado a un lado secundario, como un río o una torre de enfriamiento . Luego, el agua se bombea de nuevo al generador de vapor y el ciclo comienza de nuevo. El ciclo agua-vapor corresponde alCiclo de Rankine .

El reactor nuclear es el corazón de la estación. En su parte central, el núcleo del reactor produce calor debido a la fisión nuclear. Con este calor, un refrigerante se calienta a medida que se bombea a través del reactor y, por lo tanto, elimina la energía del reactor. El calor de la fisión nuclear se utiliza para generar vapor, que pasa por turbinas , que a su vez alimentan los generadores eléctricos.

Los reactores nucleares suelen depender del uranio para alimentar la reacción en cadena. El uranio es un metal muy pesado que abunda en la Tierra y se encuentra en el agua de mar y en la mayoría de las rocas. El uranio natural se encuentra en dos isótopos diferentes: el uranio-238 (U-238), que representa el 99,3% y el uranio-235 (U-235), que representa aproximadamente el 0,7%. Los isótopos son átomos del mismo elemento con un número diferente de neutrones. Por tanto, el U-238 tiene 146 neutrones y el U-235 tiene 143 neutrones.

Los diferentes isótopos tienen diferentes comportamientos. Por ejemplo, el U-235 es fisible, lo que significa que se divide fácilmente y emite mucha energía, lo que lo hace ideal para la energía nuclear. Por otro lado, U-238 no tiene esa propiedad a pesar de ser el mismo elemento. Los diferentes isótopos también tienen diferentes vidas medias. Una vida media es la cantidad de tiempo que tarda la mitad de una muestra de un elemento radiactivo en descomponerse. El U-238 tiene una vida media más larga que el U-235, por lo que tarda más en descomponerse con el tiempo. Esto también significa que el U-238 es menos radiactivo que el U-235.

Dado que la fisión nuclear crea radiactividad, el núcleo del reactor está rodeado por un escudo protector. Esta contención absorbe la radiación y evita que el material radiactivo se libere al medio ambiente. Además, muchos reactores están equipados con una cúpula de hormigón para proteger el reactor tanto de víctimas internas como de impactos externos. [10]

Reactor de agua a presión

El propósito de la turbina de vapor es convertir el calor contenido en el vapor en energía mecánica. La casa del motor con la turbina de vapor suele estar estructuralmente separada del edificio del reactor principal. Está alineado para evitar que los escombros de la destrucción de una turbina en funcionamiento vuelen hacia el reactor. [ cita requerida ]

En el caso de un reactor de agua a presión, la turbina de vapor se separa del sistema nuclear. Para detectar una fuga en el generador de vapor y, por lo tanto, el paso de agua radiactiva en una etapa temprana, se monta un medidor de actividad para rastrear el vapor de salida del generador de vapor. Por el contrario, los reactores de agua hirviendo hacen pasar agua radiactiva a través de la turbina de vapor, por lo que la turbina se mantiene como parte del área controlada radiológicamente de la central nuclear.

El generador eléctrico convierte la energía mecánica suministrada por la turbina en energía eléctrica. Se utilizan generadores síncronos de CA de polos bajos de alta potencia nominal. Un sistema de enfriamiento extrae el calor del núcleo del reactor y lo transporta a otra área de la estación, donde la energía térmica se puede aprovechar para producir electricidad o para realizar otros trabajos útiles. Normalmente, el refrigerante caliente se utiliza como fuente de calor para una caldera, y el vapor presurizado que impulsa uno o más generadores eléctricos accionados por turbinas de vapor . [11]

En caso de emergencia, se pueden utilizar válvulas de seguridad para evitar que las tuberías estallen o el reactor explote. Las válvulas están diseñadas para que puedan derivar todos los caudales suministrados con un pequeño aumento de presión. En el caso del BWR, el vapor se dirige a la cámara de supresión y se condensa allí. Las cámaras de un intercambiador de calor están conectadas al circuito de refrigeración intermedio.

El condensador principal es un intercambiador de calor de tubo y carcasa de flujo cruzado grande que toma vapor húmedo, una mezcla de agua líquida y vapor en condiciones de saturación, del escape del generador de turbina y lo condensa nuevamente en agua líquida subenfriada para que pueda ser bombeado de regreso al reactor por las bombas de agua de alimentación y condensado. [12] [ se necesita cita completa ]

Algunos reactores nucleares operativos liberan vapor de agua no radiactivo

En el condensador principal, el escape de la turbina de vapor húmedo entra en contacto con miles de tubos que tienen agua mucho más fría fluyendo a través de ellos en el otro lado. El agua de enfriamiento generalmente proviene de un cuerpo de agua natural, como un río o un lago. La Estación de Generación Nuclear Palo Verde , ubicada en el desierto a unas 60 millas al oeste de Phoenix, Arizona, es la única instalación nuclear que no usa un cuerpo de agua natural para enfriar, sino que usa aguas residuales tratadas del área metropolitana de Phoenix. El agua que proviene del cuerpo de agua de enfriamiento se bombea de regreso a la fuente de agua a una temperatura más cálida o regresa a una torre de enfriamiento donde se enfría para más usos o se evapora en vapor de agua que se eleva por la parte superior de la torre. [13]

El nivel de agua en el generador de vapor y el reactor nuclear se controla mediante el sistema de agua de alimentación. La bomba de agua de alimentación tiene la función de tomar el agua del sistema de condensado, aumentar la presión y forzarla a los generadores de vapor, en el caso de un reactor de agua a presión, o directamente al reactor, para los reactores de agua hirviendo.

El suministro continuo de energía al reactor es fundamental para garantizar un funcionamiento seguro. La mayoría de las estaciones nucleares requieren al menos dos fuentes distintas de energía fuera del sitio para la redundancia. Por lo general, estos son proporcionados por múltiples transformadores que están suficientemente separados y pueden recibir energía de múltiples líneas de transmisión.

Además, en algunas estaciones nucleares, el generador de turbina puede alimentar las cargas de la estación mientras la estación está en línea, sin requerir energía externa. Esto se logra a través de transformadores de servicio de estación que toman energía de la salida del generador antes de que alcancen el transformador elevador.

Economía [ editar ]

Bruce Nuclear Generating Station , la mayor instalación de energía nuclear [14]

La economía de las plantas de energía nuclear es un tema controvertido, y las inversiones multimillonarias dependen de la elección de una fuente de energía. Las centrales nucleares suelen tener altos costos de capital, pero bajos costos directos de combustible, con los costos de extracción, procesamiento, uso y almacenamiento del combustible gastado internalizados. Por lo tanto, la comparación con otros métodos de generación de energía depende en gran medida de los supuestos sobre los plazos de construcción y la financiación de capital para las centrales nucleares. Las estimaciones de costos tienen en cuenta el desmantelamiento de la estación y los costos de almacenamiento o reciclaje de desechos nucleares en los Estados Unidos debido a la Ley Price Anderson .

Con la perspectiva de que todo el combustible nuclear gastado podría reciclarse utilizando futuros reactores, se están diseñando reactores de generación IV para cerrar completamente el ciclo del combustible nuclear . Sin embargo, hasta ahora, no ha habido ningún reciclaje a granel real de desechos de una central nuclear, y el almacenamiento temporal en el sitio todavía se utiliza en casi todas las plantas debido a problemas de construcción de depósitos geológicos profundos . Solo Finlandia tiene planes de depósito estables, por lo tanto, desde una perspectiva mundial, los costos de almacenamiento de desechos a largo plazo son inciertos.

Planta de energía nuclear de Olkiluoto en Eurajoki , Finlandia

Aparte de los costes de construcción o de capital, las medidas para mitigar el calentamiento global , como un impuesto al carbono o el comercio de emisiones de carbono , favorecen cada vez más la economía de la energía nuclear. Se espera lograr mayores eficiencias a través de diseños de reactores más avanzados, los reactores de Generación III prometen ser al menos un 17% más eficientes en combustible y tener costos de capital más bajos, mientras que los reactores de Generación IV prometen mayores ganancias en eficiencia de combustible y reducciones significativas en desechos nucleares.

Unidad 1 de la central nuclear de Cernavodă en Rumanía

En Europa del Este, varios proyectos establecidos desde hace mucho tiempo están luchando por encontrar financiación, en particular Belene en Bulgaria y los reactores adicionales en Cernavodă en Rumanía , y algunos patrocinadores potenciales se han retirado. [15] Cuando se dispone de gas barato y su suministro futuro relativamente seguro, esto también plantea un problema importante para los proyectos nucleares. [15]

El análisis de la economía de la energía nucleoeléctrica debe tener en cuenta quién asume los riesgos de futuras incertidumbres. Hasta la fecha, todas las centrales nucleares en funcionamiento fueron desarrolladas por empresas estatales o reguladas, donde muchos de los riesgos asociados con los costos de construcción, el desempeño operativo, el precio del combustible y otros factores fueron asumidos por los consumidores en lugar de los proveedores. [16] Muchos países han liberalizado ahora el mercado de la electricidad donde estos riesgos y el riesgo de que surjan competidores más baratos antes de que se recuperen los costos de capital, son asumidos por los proveedores y operadores de estaciones en lugar de los consumidores, lo que lleva a una evaluación significativamente diferente de la economía de los nuevos Estaciones de energía nuclear. [17]

Tras el accidente nuclear de Fukushima en Japón en 2011 , es probable que aumenten los costos de las centrales nucleares nuevas y en funcionamiento en la actualidad, debido al aumento de los requisitos para la gestión del combustible gastado in situ y a las elevadas amenazas de las bases de diseño. [18] Sin embargo, muchos diseños, como el AP1000 actualmente en construcción, utilizan sistemas de refrigeración pasivos de seguridad nuclear , a diferencia de los de Fukushima I que requerían sistemas de refrigeración activos, lo que elimina en gran medida la necesidad de gastar más en equipos de seguridad de respaldo redundantes.

Seguridad y accidentes [ editar ]

Número hipotético de muertes globales que habrían resultado de la producción de energía si la producción mundial de energía se cubriera a través de una sola fuente, en 2014.

El profesor de sociología Charles Perrow afirma que los sistemas de reactores nucleares complejos y estrechamente acoplados de la sociedad tienen múltiples e inesperados fallos. Tales accidentes son inevitables y no se pueden diseñar en torno a ellos. [19] Un equipo interdisciplinario del MIT ha estimado que, dado el crecimiento esperado de la energía nuclear de 2005 a 2055, se esperarían al menos cuatro accidentes nucleares graves en ese período. [20] El estudio del MIT no tiene en cuenta las mejoras en la seguridad desde 1970. [21] [22]

Los accidentes más graves hasta la fecha han sido el accidente de Three Mile Island en 1979 , el desastre de Chernobyl en 1986 y el desastre nuclear de Fukushima Daiichi en 2011 , correspondientes al inicio de la operación de reactores de generación II .

Los diseños de reactores nucleares modernos han tenido numerosas mejoras de seguridad desde los reactores nucleares de primera generación. Una planta de energía nuclear no puede explotar como un arma nuclear porque el combustible para los reactores de uranio no está lo suficientemente enriquecido , y las armas nucleares requieren explosivos de precisión para forzar el combustible a un volumen lo suficientemente pequeño como para volverse supercrítico. La mayoría de los reactores requieren un control continuo de la temperatura para evitar una fusión del núcleo , que ha ocurrido en algunas ocasiones por accidente o desastre natural, liberando radiación y haciendo inhabitable el área circundante. Las plantas deben ser defendidas contra el robo de material nuclear y el ataque de aviones o misiles militares enemigos. [23]

Controversia [ editar ]

La ciudad ucraniana de Pripyat abandonada debido a un accidente nuclear.

El debate sobre la energía nuclear sobre el despliegue y uso de reactores de fisión nuclear para generar electricidad a partir de combustible nuclear con fines civiles alcanzó su punto máximo durante las décadas de 1970 y 1980, cuando "alcanzó una intensidad sin precedentes en la historia de las controversias tecnológicas" en algunos países. [24]

Los defensores argumentan que la energía nuclear es una fuente de energía sostenible que reduce las emisiones de carbono y puede aumentar la seguridad energética si su uso reemplaza la dependencia de los combustibles importados. [25] [Se necesita cita completa ] Los defensores avanzan en la noción de que la energía nuclear prácticamente no produce contaminación del aire, en contraste con la principal alternativa viable de los combustibles fósiles. Los defensores también creen que la energía nuclear es el único camino viable para lograr la independencia energética.para la mayoría de los países occidentales. Enfatizan que los riesgos de almacenar desechos son pequeños y pueden reducirse aún más utilizando la última tecnología en reactores más nuevos, y el historial de seguridad operacional en el mundo occidental es excelente en comparación con los otros tipos principales de centrales eléctricas. [26] [ se necesita cita completa ]

Los opositores dicen que la energía nuclear plantea muchas amenazas para las personas y el medio ambiente, [ ¿quién? ] [ palabras de comadreja ] y que los costos no justifican los beneficios. Las amenazas incluyen riesgos para la salud y daños ambientales derivados de la extracción , el procesamiento y el transporte de uranio , el riesgo de proliferación o sabotaje de armas nucleares y el problema no resuelto de los desechos nucleares radiactivos . [27] [28] [29]Otro problema ambiental es la descarga de agua caliente al mar. El agua caliente modifica las condiciones ambientales de la flora y fauna marina. También sostienen que los reactores en sí mismos son máquinas enormemente complejas en las que muchas cosas pueden salir mal, y se han producido muchos accidentes nucleares graves . [30] [31] Los críticos no creen que estos riesgos puedan reducirse mediante la nueva tecnología , [32] a pesar de los rápidos avances en los procedimientos de contención y métodos de almacenamiento.

Los opositores argumentan que cuando se consideran todas las etapas de la cadena de combustible nuclear que consumen mucha energía , desde la extracción de uranio hasta el desmantelamiento nuclear, la energía nuclear no es una fuente de electricidad baja en carbono a pesar de la posibilidad de que el refinamiento y el almacenamiento a largo plazo sean alimentados por una instalación nuclear. . [33] [34] [35] Los países que no contienen minas de uranio no pueden lograr la independencia energética mediante las tecnologías de energía nuclear existentes. Los costos reales de construcción a menudo superan las estimaciones y los costos de gestión del combustible gastado son difíciles de definir. [ cita requerida ]

El 1 de agosto de 2020, los Emiratos Árabes Unidos lanzaron la primera planta de energía nuclear de la región árabe. La Unidad 1 de la planta de Barakah en la región de Al Dhafrah de Abu Dhabi comenzó a generar calor el primer día de su lanzamiento, mientras que las 3 Unidades restantes se están construyendo. Sin embargo, el director de Nuclear Consulting Group, Paul Dorfman, advirtió que la inversión de la nación del Golfo en la planta como un riesgo "desestabilizaría aún más la volátil región del Golfo, dañando el medio ambiente y aumentando la posibilidad de proliferación nuclear". [36]

Reprocesamiento [ editar ]

La tecnología de reprocesamiento nuclear se desarrolló para separar químicamente y recuperar el plutonio fisionable del combustible nuclear irradiado. [37] El reprocesamiento tiene múltiples propósitos, cuya importancia relativa ha cambiado con el tiempo. Originalmente, el reprocesamiento se utilizó únicamente para extraer plutonio para producir armas nucleares . Con la comercialización de la energía nuclear , el plutonio reprocesado se recicló de nuevo en combustible nuclear MOX para reactores térmicos . [38] El uranio reprocesado, que constituye la mayor parte del material combustible gastado, en principio también puede reutilizarse como combustible, pero eso solo es económico cuando los precios del uranio son altos o la eliminación es cara. Finalmente, el reactor reproductor puede emplear no solo el plutonio y uranio reciclados en el combustible gastado, sino todos los actínidos , cerrando el ciclo del combustible nuclear y potencialmente multiplicando la energía extraída del uranio natural por más de 60 veces. [39]

El reprocesamiento nuclear reduce el volumen de desechos de actividad alta, pero por sí solo no reduce la radiactividad ni la generación de calor y, por lo tanto, no elimina la necesidad de un depósito de desechos geológicos. El reprocesamiento ha sido políticamente controvertido debido al potencial de contribuir a la proliferación nuclear , la vulnerabilidad potencial al terrorismo nuclear , los desafíos políticos de la ubicación de los depósitos (un problema que se aplica igualmente a la eliminación directa del combustible gastado) y debido a su alto costo en comparación con el ciclo de combustible de un solo paso. [40] En los Estados Unidos, la administración Obama se apartó de los planes del presidente Bush para el reprocesamiento a escala comercial y volvió a un programa centrado en la investigación científica relacionada con el reprocesamiento. [41]

Indemnización por accidente [ editar ]

La energía nucleoeléctrica funciona bajo un marco de seguros que limita o estructura las responsabilidades por accidentes de conformidad con el Convenio de París sobre responsabilidad civil en materia de energía nuclear , el convenio complementario de Bruselas y la Convención de Viena sobre responsabilidad civil por daños nucleares . [42] Sin embargo, los estados con la mayoría de las centrales nucleares del mundo, incluidos Estados Unidos, Rusia, China y Japón, no son parte de las convenciones internacionales de responsabilidad nuclear. En los Estados Unidos, el seguro por incidentes nucleares o radiológicos está cubierto (para instalaciones con licencia hasta 2025) por la Ley de indemnización de industrias nucleares Price-Anderson .

Según la política energética del Reino Unido a través de su Ley de Instalaciones Nucleares de 1965, la responsabilidad se rige por los daños nucleares de los que es responsable un titular de licencia nuclear del Reino Unido. La ley exige que el operador responsable pague una indemnización por daños hasta un límite de 150 millones de libras esterlinas durante diez años después del incidente. Entre diez y treinta años después, el Gobierno cumple con esta obligación. El Gobierno también es responsable de la responsabilidad transfronteriza adicional limitada (alrededor de £ 300 millones) en virtud de convenios internacionales ( Convenio de París sobre responsabilidad civil en materia de energía nuclear y Convenio de Bruselas complementario del Convenio de París). [43]

Desmantelamiento [ editar ]

El desmantelamiento nuclear es el desmantelamiento de una central nuclear y la descontaminación del sitio a un estado que ya no requiere protección contra la radiación para el público en general. La principal diferencia con el desmantelamiento de otras centrales eléctricas es la presencia de material radiactivo que requiere precauciones especiales para retirarlo y reubicarlo de manera segura en un depósito de desechos.

En términos generales, las centrales nucleares se diseñaron originalmente para una vida útil de unos 30 años. [44] [45] Las estaciones más nuevas están diseñadas para una vida útil de 40 a 60 años. [46] El Reactor Centurion es una clase futura de reactor nuclear que está siendo diseñado para durar 100 años. [47] Uno de los principales factores de desgaste limitantes es el deterioro de la vasija de presión del reactor bajo la acción del bombardeo de neutrones, [45] sin embargo, en 2018 Rosatom anunció que había desarrollado una técnica de recocido térmico para vasijas de presión de reactores.que mejora el daño por radiación y extiende la vida útil entre 15 y 30 años. [48]

El desmantelamiento implica muchas acciones administrativas y técnicas. Incluye toda la limpieza de radiactividad y demolición progresiva de la estación. Una vez que se da de baja una instalación, ya no debería haber ningún peligro de accidente radiactivo ni para las personas que la visiten. Una vez que una instalación ha sido completamente desmantelada, queda liberada del control reglamentario y el titular de la licencia de la estación ya no es responsable de su seguridad nuclear.

Flexibilidad [ editar ]

Las estaciones nucleares se utilizan principalmente para carga base debido a consideraciones económicas. El costo de combustible de las operaciones de una central nuclear es menor que el costo de combustible de las plantas de carbón o gas. Dado que la mayor parte del costo de la planta de energía nuclear es el costo de capital, casi no hay ahorro de costos si se hace funcionar a menos de su capacidad total. [49]

Las centrales nucleares se utilizan habitualmente en modo de seguimiento de carga a gran escala en Francia, aunque "en general se acepta que esta no es una situación económica ideal para las centrales nucleares". [50] La unidad A en la central nuclear alemana de Biblis fuera de servicio fue diseñada para modular su producción en un 15% por minuto entre el 40% y el 100% de su potencia nominal. [51]

Ver también [ editar ]

  • Lista de reactores nucleares
  • Lista de centrales nucleares

Notas al pie [ editar ]

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Enlaces externos [ editar ]

  • Ensayos no destructivos para centrales nucleares
  • Glosario de términos nucleares