¿Qué es la energía nucleoeléctrica?

¿Qué es la energía nucleoeléctrica?
Tema 8
¿Qué es la energía nucleoeléctrica?
Es un término genérico referido a
la energía que se produce en las
centrales nucleares por el proceso
de transformación de la energía
nuclear en energía eléctrica.
Figura1 . Laguna Verde
Tema 8
Energía Nucleoeléctrica
El funcionamiento de las centrales núcleoeléctricas es muy
semejante al de las térmicas convencionales.
La diferencia está en la manera en la que se produce el vapor
para accionar los turbogeneradores y producir electricidad.
En el caso de las centrales térmicas convencionales se usan
combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas natural y diesel) y las
nucleares producen vapor aprovechando el calor que se obtiene
al fisionar con neutrones a los núcleos de los isótopos de 92U235
y 94Pu239.
Tema 8
Energía Nucleoeléctrica
Figura 3. Central Convencional
Figura 4.Central Nuclear
Tema 8
Diagrama simplificado del proceso de producción de energía eléctrica
a través de energéticos fósiles y alternos
Tema 8
Energía Nucleoeléctrica
En las centrales nucleares, la
energía extraída del combustible
(reacción
nuclear)
por
el
refrigerante se emplea para
producir
vapor
a
alta
temperatura y presión .
Ese vapor se inyecta a una
turbina a alta presión y
temperatura,
moviendo
los
álabes o aspas de ésta.
Tema 8
Energía Nucleoeléctrica
El eje de la turbina está conectado
a un generador de corriente,
transformando la energía mecánica
en energía eléctrica.
El vapor de baja presión
(y
temperatura) que sale de la turbina
se condensa
al pasar por un
circuito de refrigeración
y se
bombea al reactor par ser utilizada
nuevamente en un circuito cerrado.
Tema 8
Energía Nucleoeléctrica
En el ciclo de refrigeración el
vapor condensado cede calor al
agua que proviene de pozos, ríos,
lagos, o del mar.
En un primer caso, en torres de
enfriamiento, el aire asciende por
las torres y simultáneamente el
agua se inyecta por la parte
superior y cae en gotas. El aire
enfría el agua y parte de ésta se
convierte en vapor que se disipa a
la atmosfera.
Torre de enfriamiento
Tema 8
Energía Nucleoeléctrica
En un segundo caso, el
refrigerante se succiona del
cuerpo de agua y se hace
pasar por los tubos del
condensador, en donde
recibe el calor del vapor y
luego se regresa al cuerpo
de agua a una mayor
temperatura
Tema 8
Energía Nucleoeléctrica
Reactor Nuclear
Un reactor nuclear es una instalación
capaz de iniciar, mantener y controlar
las reacciones de fisión en cadena con
los medios adecuados para extraer el
calor generado por un refrigerante
líquido o gaseoso.
El proceso se inicia cuando los
neutrones
térmicos
inducen
la
reacción en cadena en el combustible
dentro del núcleo del reactor.
Tema 8
Energía Nucleoeléctrica
Reactor Nuclear
Casi siempre, el reactor es una
vasija a presión donde se alojan
elementos de combustible , barras
de control , moderador y fluido
refrigerante,
así
como
la
instrumentación nuclear, que se
explicarán más adelante.
Tema 8
Energía Nucleoeléctrica
Reactor Nuclear
Dentro de la vasija del reactor nuclear se
alojan varios componentes que tienen
cada uno un papel importante en la
generación y extracción del calor, y en
el control de la reacción en cadena.
Éstos son:
Combustible, Moderador, Refrigerante,
Barras de control e Instrumentación
Nuclear. En los reactores BWR, como
los de Laguna Verde, la vasija también
contiene el secador y el separador de
vapor que se genera dentro de la misma.
Tema 8
Vasija del Reactor Nuclear
Tipo BWR
1.Boquilla de salida del vapor seco.
2.Secador de vapor .
3.Separador de vapor.
4.Tubería de entrada de agua de alimentación.
5.Tubería de agua de recirculación.
6.Ensambles de combustible.
7.Barras de control.
8.Mecanismos de las barras de control.
9.Canales para instrumentación nuclear de
medición del flujo de neutrones.
10.Núcleo del Reactor.
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Energía Nucleoeléctrica
Combustible
Pastilla de Dióxido de Uranio
El 92U235 es un material que se fisiona
con neutrones térmicos al igual que el
239. Del uranio natural que se extrae
94Pu
de las minas, sólo una parte es 92U235 y el
resto, que es 92U238, absorbe neutrones
y cría el 94Pu239.
Un reactor puede funcionar tanto con
uranio natural y agua pesada o grafito
como moderador, así como con uranio
ligeramente enriquecido y agua ligera
como moderador.
Barras
Tema 8
Energía Nucleoeléctrica
Combustible
El combustible generalmente
son pastillas cerámicas de
dióxido de uranio ligeramente
enriquecido, encapsuladas en
tubos de zircaloy y armados
en ensambles .
Ensamble
Tema 8
Núcleo del reactor BWR
El núcleo del reactor BWR consiste
en 444 ensambles de combustible
montados en una placa de soporte
que contiene 81 toneladas de Uranio
(U02) enriquecido inicialmente al
1.87% de U235 en promedio, así como
109 barras cruciformes de control
(que se explicaran después).
En el núcleo se produce la reacción
de fisión en cadena, la cual genera la
energía que es extraída por el fluido
refrigerante que circula entre los
ensambles del combustible para
producir vapor saturado.
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Energía Nucleoeléctrica
Núcleo del reactor
BWR
En el corte transversal
del núcleo se puede
observar la distribución
de las barras de control y
los 3 tipos de ensamble
de combustible de la
carga inicial.
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Energía Nucleoeléctrica
Núcleo del reactor
BWR
Cada 18 meses se introducirán 108
ensambles al 4% de 92U235 en
promedio, para reemplazar otros
tantos cuyo enriquecimiento ha
disminuido debido a las fisiones del
235 que producen energía. Estas
92U
son las recargas de combustible que
permiten al reactor seguir operando
otros 18 meses.
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Energía Nucleoeléctrica
Moderador
Los neutrones que se generan
como consecuencia de la fisión se
emiten a grandes velocidades,
aprox. 20,000 Km/s (del orden de
2Mev). Para que estos neutrones
puedan a su vez fisionar a otros
núcleos de una manera eficiente y
prosiga así una reacción en
cadena se debe disminuir su
velocidad aproximadamente a 2
km/s (0.025 ev).
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Energía Nucleoeléctrica
Moderador
Para ello se los hace chocar
reiteradamente
contra
átomos
de
poco
peso
atómico para que pierdan
velocidad paulatinamente. El
material utilizado para que
los neutrones choquen y
pierdan su velocidad es
llamado moderador.
Tema 8
Energía Nucleoeléctrica
Moderador
Los más frecuentes son: agua
ligera, grafito y agua pesada.
El agua pesada está formada
por 2 átomos de deuterio y
uno de oxigeno.
Agua ligera
H2O
Agua Pesada
D2O
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Energía Nucleoeléctrica
Moderador
El deuterio es un isótopo del
hidrógeno que posee un protón
y neutrón en su núcleo.
Deuterio
Hidrógeno
El agua pesada es un líquido
semejante al agua natural pero
de mayor densidad. En lugar de
tener moléculas formadas por
átomos de hidrogeno, está
constituida por átomos de
deuterio.
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Energía Nucleoeléctrica
Agua pesada
Agua natural
D2 0
Propiedades
Físicas
H2 0
20
Peso Molecular
(g/mol)
18
1105
Densidad a
4°C(g/l)
1000
3,8
Punto de
Congelamiento
(°C)
0
101,5
Punto de
Ebullición
100
Tema 8
vs
Tienen idénticas propiedades
químicas pero difieren en sus
propiedades físicas.
Las principales propiedades
físicas del agua pesada y la
comparación de ésta con el
agua común se observan en la
tabla.
Energía Nucleoeléctrica
Agua pesada
Agua natural
Propiedades Organolépticas
D20
H20
Inodora
Inodora
Insípida
Insípida
Incolora
Incolora
Tema 8
vs
Energía Nucleoeléctrica
Refrigerante
Agua
La energía de fisión en forma de
calor generado por el combustible
del reactor se extrae mediante un
refrigerante.
Generalmente se usan refrigerantes
líquidos, como el agua ligera y el
agua pesada, o gases como el
dióxido de carbono y el helio (inerte
y ayuda a que no haya corrosión)
que tienen poca afinidad para
absorber neutrones..
Dióxido
de Carbono
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Energía Nucleoeléctrica
Refrigerante
Una parte de esa energía
extraída se transforma en
electricidad la otra parte se
descarta,
por
ejemplo,
transfiriéndola al agua de un río,
lago, mar o a la atmosfera.
Helio
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Energía Nucleoeléctrica
Barras de control
Son barras cruciformes que se encargan
de mantener en equilibrio la intensidad
de la reacción en cadena que ocurre en el
núcleo de reactor dentro de los límites
deseados y conforme a la cantidad de
energía térmica que se quiere producir. El
interior de las barras contienen tubos que
se encuentra llenos de una sustancia que,
como el cadmio o boro, tiene la propiedad
de capturar neutrones y por ello se
establece la función de control.
Tema 8
Energía Nucleoeléctrica
Barras de control
Si se desea disminuir la intensidad
de la reacción nuclear, basta con
insertar
las
barras
entre
los
ensambles
de
combustible
del
núcleo.
En caso de querer subir la potencia
del reactor sólo hay que extraer
paulatinamente las barras de control,
hasta lograr la potencia deseada.
Para apagar el reactor se insertan
súbitamente todas las barras.
Tema 8
Energía Nucleoeléctrica
Edificio contenedor
Es la estructura alrededor del núcleo
del reactor que está diseñada para
que, en caso de emergencia, no deje
escapar gases radioactivos, proteger
a quienes están afuera de los efectos
de la radiación, y resguardarlo de
intrusiones del exterior.
De manera típica se trata de una
estructura de acero rellena de
concreto de gran espesor.
Tema 8
Muros de Concreto y Acero en el edificio del Reactor de la
Unidad 2 en la CN Laguna Verde.
Tema 8
Energía Nucleoeléctrica
Sistemas de emergencia
de enfriamiento del Núcleo
Aseguran
que
el
núcleo
esté
adecuadamente
refrigerado
en
cualquier
condición.
Durante
la
operación normal, esta función la
desempeña el sistema de agua de
alimentación, que consta de dos ramas
independientes; cada una de ellas
puede proporcionar el 50% del flujo
total que se requiere para refrigerar el
núcleo en condiciones de máxima
generación térmica.
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Sistemas de enfriamiento
•Sistema de Despresurización
Automática (ADS), que descarga
a la alberca de supresión
•Sistema de enfriamiento del
Núcleo de Alta Presión (HPCS),
que inicia la aspersión del núcleo
mientras
se
despresuriza
rápidamente la vasija.
•Sistema de enfriamiento del
Núcleo de Baja Presión (LPCS),
que entra en operación cuando
ya se despresurizó la vasija.
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Energía Nucleoeléctrica
Sistemas de enfriamiento
• Sistema de Inyección de
Refrigerantes
a
Baja
Presión (LPCI), que en
caso de emergencia sirve
para el suministro de
refrigerante al núcleo del
reactor, cuando la vasija
ya
se
despresurizó,
manteniéndolo inundado
por el lapso necesario.
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Energía Nucleoeléctrica
Barreras de Contención
en un Reactor Nuclear
• Primera barrera: Las Pastillas de Combustible,
fabricadas de una manera especial para
soportar altas temperaturas.
• Segunda barrera: Los tubos herméticos de
Zircaloy, que encapsulan
las pastillas de
combustible y que no deja pasar los productos
de fisión al líquido que funge como refrigerante.
• Tercera barrera : La vasija del reactor , que
contiene al combustible y que está compuesto
principalmente por acero especial y paredes de
gran espesor.
Tema 8
• Cuarta barrera :Contenedor Primario, edifico
hermético que rodea la vasija del reactor
construido de concreto reforzado de gran
espesor. Toda esta estructura va recubierta
interiormente por una placa de acero para
asegurar su hermeticidad. En los reactores
soviéticos (RBMK) no existía esta cuarta
barrera o contención primaria, lo que habría
aminorado las consecuencias del accidente
de Chernobyl. En la actualidad, esta cuarta
barrera se incluye en ese tipo de centrales y
se está procediendo al cierre de las que no
la incluyen.
Tema 8
Energía Nucleoeléctrica
Barreras de Contención
en un Reactor Nuclear
• Quinta barrera: Contenedor Secundario,
también llamado edificio del reactor, está
diseñado para rodear al contenedor
primario y a todos los equipos relacionados
con la operación segura del reactor. Está
provisto de un sistema de control
atmosférico que mantiene siempre una
presión negativa interior, de tal manera que
los productos radioactivos no puedan salir
al exterior.
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Tipos de Centrales Nucleares
Los distintos tipos de centrales nucleares de fisión se diferencian
entre sí, según las características del reactor que albergan. Los
reactores pueden clasificarse siguiendo criterios diversos.
 Según el combustible utilizado: De acuerdo con la velocidad de
Uranio Natural
los neutrones que producen las
Uranio Enriquecido
reacciones de fisión, en:
Plutonio
 reactores rápidos
Torio
 reactores térmicos (o lentos)
Según el refrigerante empleado: Según el moderador utilizado:
Agua común o liviana (H20)
Agua común o liviana (H20)
Agua pesada (D20)
Agua pesada (D20)
Gases
Grafito
Tema 8
Energía Nucleoeléctrica
A su vez, los reactores térmicos se clasifican, de
acuerdo con el tipo de moderador empleado, en:
reactores de agua ligera, reactores de agua
pesada y reactores de grafito.
Los reactores rápidos no utilizan moderador.
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Reactores Térmicos (lentos)
Reactor de agua a presión (Pressurized Water Reactor PWR): el más
utilizado, emplea agua ligera como moderador y refrigerante; óxido
de uranio enriquecido como combustible. El refrigerante circula a
una presión tal que el agua no alcanza la ebullición, y extrae el calor
del reactor, que después lleva a un intercambiador de calor, donde
se genera el vapor que alimenta a la turbina.
Tema 8
Reactor de agua en ebullición (Boiling Wáter Reactor BWR): (utilizado
en Laguna Verde) emplea elementos similares al anterior, pero ahora
el refrigerante, al trabajar a menor presión, alcanza la temperatura de
ebullición al pasar por el núcleo del reactor, y parte del líquido se
transforma en vapor, el cual una vez separado de aquél y secado, se
conduce hacia la turbina sin necesidad de emplear el generador de
vapor.
Tema 8
Energía Nucleoeléctrica
Reactores Térmicos (lentos)
Reactor de agua pesada
a
presión (Pressurized
Heavy
Water
Reactor
PHWR o CANDU). Emplea
uranio
natural
como
combustible
y
agua
pesada como moderador
y refrigerante, utiliza un
generador
de
vapor
externo al reactor.
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Energía Nucleoeléctrica
Reactores Térmicos (lentos)
GCR (Gas Cooled Reactor).
Fue de los primeros que se
desarrolló en el mundo,
utiliza uranio natural como
combustible,
y
está moderado con grafito.
El
refrigerante
utilizado
puede ser helio o dióxido de
carbono (CO2).
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Energía Nucleoeléctrica
Reactores Rápidos
Reactor Rápido de
Cría (FBR). Enfriado
por sodio líquido
(Liquid Metal Fast
Breeder
ReactorLMFBR).
No utiliza moderador
pero si utiliza un
generador de vapor y
un triple circuito .
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Numero de reactores a nivel mundial por tipo
Tema 8