Una central nuclear es una instalación industrial en la que se genera electricidad a partir de la energía térmica producida mediante reacciones de fisión en la vasija de un reactor nuclear.
El componente central de una central es el reactor, que es la instalación donde se aloja el combustible nuclear y que cuenta con sistemas que permiten iniciar, mantener y detener, de modo controlado, reacciones nucleares de fisión que liberan grandes cantidades de energía térmica.
La energía térmica liberada se utiliza para calentar agua hasta convertirla en vapor a alta presión y temperatura. Este vapor hace girar una turbina que está conectada a un generador que transforma la energía mecánica del giro de la turbina en energía eléctrica, lista para su utilización industrial.
El principio de funcionamiento de una central nuclear es análogo al de una central térmica convencional (de carbón, fuel o gas) y consiste en transformar la energía térmica liberada por un combustible en energía mecánica, y ésta en energía eléctrica. El calor producido en el reactor de la central calienta agua hasta generar vapor a alta presión y temperatura. Posteriormente, este vapor acciona una turbina acoplada a un generador eléctrico, que transforma la energía mecánica del giro de la turbina en energía eléctrica.
Aunque este principio básico de funcionamiento es relativamente sencillo, la tecnología aplicada es de una gran complejidad debido a los fenómenos físicos que se ponen en juego, las grandes potencias alcanzadas, los requisitos técnicos y las estrictas medidas de seguridad necesarias para garantizar, en todo momento, tanto la seguridad de los trabajadores y de la población como la protección del medio ambiente.
El reactor es la instalación de la central nuclear en la que se inician, mantienen y controlan las reacciones de fisión nuclear en cadena, que producen la energía térmica necesaria para la generación de energía eléctrica.
El reactor consta de una vasija de acero en cuyo interior se dispone un conjunto de elementos de combustible nuclear siguiendo un cierto patrón geométrico. Los núcleos de los átomos del combustible nuclear son impactados por neutrones, lo que provoca su ruptura, dando lugar a la aparición de fragmentos conocidos como productos de fisión y de más neutrones que, a su vez, impactarán de nuevo sobre otros átomos de combustible. En este proceso, conocido como reacción en cadena, se desprende gran cantidad de energía térmica que se utiliza para la producción de vapor de agua.
En la mayoría de reactores, para facilitar el proceso de reacción en cadena es necesaria, asimismo, la presencia dentro del reactor de un elemento moderador de los neutrones que se producen en las reacciones de fisión. Esto se debe a que estos neutrones tienen una elevada energía cinética y es conveniente reducir su velocidad para facilitar nuevas reacciones en cadena, lo que se consigue mediante choques elásticos de los neutrones con los átomos del elemento que hace de moderador. El moderador utilizado en las centrales españolas es el agua ligera.
Por otro lado, para controlar de manera segura las reacciones de fisión que tienen lugar en el reactor nuclear existen mecanismos de accionamiento de una serie de barras de control que contienen un material que absorbe los neutrones. Estas barras de control se pueden insertar total o parcialmente dentro de la vasija del reactor para impedir en mayor o menor medida que los neutrones sigan desencadenando sucesivas reacciones de fisión. En caso de ser necesario detener todas las reacciones de fisión se insertan inmediatamente todas las barras de control dando lugar a lo que se denomina parada automática, “disparo” o “scram” del reactor. El reactor de una central nuclear está rodeado de un blindaje de hormig´´on que intercepta las radiaciones ocasionadas en las radiaciones de fisión. Tanto el reactor como los sistemas auxiliares mencionados anteriormente se disponen dentro de un edificio diseñado para limitar las emisiones de radiación en caso de accidente y que se conoce como edificio de “contención”.
La energía producida por las reacciones de fisión se utiliza para generar el vapor que alimenta la turbina de la central nuclear. Para ello, el agua circula a través del núcleo del reactor aumentando su temperatura. Sin embargo, en España existen dos tipos de centrales nucleares en operación cuya diferencia fundamental estriba en si la generación de vapor tiene lugar dentro o fuera del reactor:
En este tipo de centrales nucleares, el agua circula en estado líquido y a muy alta presión por el llamado “circuito primario” por medio de unas bombas que la impulsan a través del núcleo del reactor donde se calienta antes de dirigirse a los generadores de vapor. La presión del circuito primario se mantiene gracias a un elemento denominado “presionador” cuyo objetivo es evitar la formación de vapor dentro de este circuito.
En estas instalaciones, las barras de control están situadas en la parte superior de la vasija del reactor. En caso de ser necesaria la parada rápida del reactor, ésta se produce por la inserción de las barras de control por acción de la gravedad, al liberarse los mecanismos electromagnéticos de sujeción de las mismas.
El agua líquida a alta temperatura que sale de la vasija del reactor circula a través de los tubos del circuito primario atravesando los generadores de vapor. Dentro de los generadores de vapor, por el exterior de estos tubos circula el agua del circuito secundario, de manera que el agua a alta temperatura del circuito primario calienta el agua del circuito secundario hasta convertirla en vapor. Posteriormente, el vapor se dirige por los tubos del circuito secundario a la turbina, donde se expande haciéndola girar. El giro de la turbina se transmite al generador eléctrico, que es el componente en el que se produce la electricidad, la cual se envía al parque de transformación y, desde allí, a la red eléctrica exterior.
Como en cualquier central térmica, el vapor que sale de la turbina sigue estando muy caliente, por lo que es necesario condensarlo para su retorno al ciclo de agua/vapor. Esta condensación se hace gracias a un tercer circuito exterior de refrigeración que utiliza un gran caudal de agua fría que circula por el interior de los tubos del condensador. El agua fría que circula por los tubos del circuito de refrigeración se calienta a su paso por el condensador y posteriormente se enfría de nuevo mientras los tubos atraviesan lo que se conoce como “sumidero de calor” de la central (río, pantano, mar o torres de refrigeración).
El vapor que se ha condensado al contacto con los tubos del condensador es impulsado para ser precalentado antes de su envío de nuevo a los generadores de vapor. La presión en el condensador es menor que la de los tubos del circuito de refrigeración exterior que lo atraviesan, por lo que en caso de producirse una fisura en los tubos sería el agua de dicho circuito la que se fugaría hacia el condensador y no a la inversa, evitando así posibles escapes al medio ambiente.
En este diseño de centrales, no existe un circuito secundario agua-vapor, sino que es el mismo fluido refrigerante que circula por la vasija y el núcleo del reactor el que se evapora a su paso por el núcleo. De esta manera, de la vasija del reactor sale directamente el vapor que se dirige a la turbina. El funcionamiento de la misma, así como el del alternador, el condensador y el del sistema de agua de alimentación, es análogo al de una central PWR, aunque en este caso el sistema impulsa el vapor condensado directamente hasta la vasija del reactor.
La vasija del reactor dispone de unos lazos de recirculación exteriores que permiten, mediante el uso combinado de bombas centrifugas y de chorro, la regulación rápida del caudal del refrigerante/moderador y, por tanto, el control de la potencia del reactor.
En este tipo de reactores, las barras de control están situadas en la parte inferior de la vasija y se insertan en su interior desde abajo mediante un sistema hidráulico que utiliza como fluido el propio refrigerante a alta presión.
El Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA) es la organización para la cooperación en el campo nuclear. Desde su creación en 1957, la organización trabaja con sus Estados miembros y socios en todo el mundo para prevenir el uso seguro y pacífico de las tecnologías nucleares.
En la Conferencia Internacional Ministerial sobre Energía Nuclear en el siglo XXI, impulsada por el OIEA en junio de 2013, se reconoció el papel de liderazgo de este Organismo en la promoción de la tecnología nuclear para usos pacíficos, en el establecimiento de normas y directrices de seguridad, y en la promoción de la cooperación y los esfuerzos para fortalecer la seguridad nuclear mundial, la seguridad física y el control de las salvaguardias.
Desde 1981, el OIEA publica anualmente “Nuclear Power Reactors in the World”, que se encuentra disponible (Nuclear Power Reactors Operating Worldwide) con la situación actualizada en cuanto al número de países que ya operan centrales nucleares, cuantos están construyendo nuevas centrales o completando construcciones suspendidas previamente, y cuantos están considerando la opción de construir nuevas plantas o de completar los proyectos de construcción en suspensión, así como el tipo de las centrales nucleares. Igualmente se muestra la aportación de la energía nuclear a la producción eléctrica por país (Nuclear Share of Electricity Generation Worldwide) y se incluyen las proyecciones realizadas sobre la capacidad de producción de energía eléctrica por medio de energía nuclear.
