Una central nuclear es una central termoeléctrica en la que actúa como caldera un reactor nuclear. La energía térmica se origina por las reacciones nucleares de fisión en el combustible nuclear formado por un compuesto de uranio. El combustible nuclear se encuentra en el interior de una vasija herméticamente cerrada, junto con un sistema de control de la reacción nuclear y un fluido refrigerante, constituyendo lo que se llama un reactor nuclear. El calor generado en el combustible del reactor y transmitido después a un refrigerante se emplea para producir vapor de agua, que acciona el conjunto turbina-alternador, generando la energía eléctrica.
La central se ha realizado con un diseño específico que prevé estructuras civiles adecuadas, sistemas duplicados que responden al fallo previsto de uno de ellos y coeficientes de sobredimensionamiento para resistir el sismo máximo esperable, proteger contra las radiaciones ionizantes, prevenir los accidentes posibles y mitigar sus consecuencias. Por este motivo, los edificios de una central nuclear en comparación con una convencional de similar potencia son mucho más robustos y más grandes para alojar los sistemas redundantes instalados.
Funcionamiento:
Las centrales nucleares constan principalmente de cuatro partes:
-El reactor nuclear, donde se produce la reacción nuclear.
-El generador de vapor de agua (sólo en las centrales de tipo PWR).
-La turbina, que mueve un generador eléctrico para producir electricidad con la expansión del vapor.
-El condensador, un intercambiador de calor que enfría el vapor transformándolo nuevamente en líquido.
El reactor nuclear es el encargado de realizar la fisión o fusión de los átomos del combustible nuclear, como uranio, generando como residuo el plutonio, liberando una gran cantidad de energía calorífica por unidad de masa de combustible.
El generador de vapor es un intercambiador de calor que transmite calor del circuito primario, por el que circula el agua que se calienta en el reactor, al circuito secundario, transformando el agua en vapor de agua que posteriormente se expande en las turbinas, produciendo el movimiento de éstas que a la vez hacen girar los generadores, produciendo la energía eléctrica. Mediante un transformador se aumenta la tensión eléctrica a la de la red de transporte de energía eléctrica.
Después de la expansión en la turbina el vapor es condensado en el condensador, donde cede calor al agua fría refrigerante, que en las centrales PWR procede de las torres de refrigeración. Una vez condensado, vuelve al reactor nuclear para empezar el proceso de nuevo.
Las centrales nucleares siempre están cercanas a un suministro de agua fría, como un río, un lago o el mar, para el circuito de refrigeración, ya sea utilizando torres de refrigeración o no.
Central nuclear con un reactor de agua a presión. (RAP, PWR en ingles)
1- Edificio de contención. 2- Torre de refrigeración. 3- Reactor. 4- Barras de control. 5- Acumulador de presión. 6- Generador de vapor. 7- Combustible nuclear. 8- Turbina. 9- Generador eléctrico. 10- Transformador. 11- Condensador. 12- Vapor. 13- Líquido saturado. 14- Aire ambiente. 15- Aire húmedo. 16- Río. 17- Circuito de refrigeración. 18- Circuito primario. 19- Circuito secundario. 20- Emisión de aire húmedo (con vapor de agua). 21- Bomba de vapor de agua.
Seguridad
Como cualquier actividad humana, una central nuclear de fisión conlleva riesgos y beneficios. Los riesgos deben preverse y analizarse para poder ser mitigados. A todos aquellos sistemas diseñados para eliminar o al menos minimizar esos riesgos se les llama sistemas de protección y control. En una central nuclear de uso civil se utiliza una aproximación llamada defensa en profundidad. Esta aproximación sigue un diseño de múltiples barreras para alcanzar ese propósito. Una primera aproximación a las distintas barreras utilizadas (cada una de ellas múltiple), de fuera adentro podría ser:
Autoridad reguladora: es el organismo encargado de velar que el resto de barreras se encuentren en perfecto funcionamiento. No debe estar vinculado a intereses políticos ni empresariales, siendo sus decisiones vinculantes.
Normas y procedimientos: todas las actuaciones deben regirse por procedimientos y normas escritas. Además se debe llevar a cabo un control de calidad y deben estar supervisadas por la autoridad reguladora.
Primera barrera física (sistemas pasivos): sistemas de protección intrínsecos basados en las leyes de la física que dificultan la aparición de fallos en el sistema del reactor. Por ejemplo el uso de sistemas diseñados con reactividad negativa o el uso de edificios de contención.
Segunda barrera física (sistemas activos): Reducción de la frecuencia con la que pueden suceder los fallos. Se basa en la redundancia, separación o diversidad de sistemas de seguridad destinados a un mismo fin. Por ejemplo las válvulas de control que sellan los circuitos.
Tercera barrera física: sistemas que minimizan los efectos debidos a sucesos externos a la propia central. Como los amortiguadores que impiden una ruptura en caso de sismo.
Barrera técnica: todas las instalaciones se instalan en ubicaciones consideradas muy seguras (baja probabilidad de sismo o vulcanismo) y altamente despobladas.
Salvaguardas técnicas.
Además debe estar previsto qué hacer en caso de que todos o varios de esos niveles fallaran por cualquier circunstancia. Todos, los trabajadores u otras personas que vivan en las cercanías, deben poseer la información y formación necesaria. Deben existir planes de emergencia que estén plenamente operativos. Para ello es necesario que sean periódicamente probados mediante simulacros. Cada central nuclear posee dos planes de emergencia: uno interior y uno exterior, comprendiendo el plan de emergencia exterior, entre otras medidas, planes de evacuación de la población cercana por si todo lo demás fallara.
Aunque los niveles de seguridad de los reactores de tercera generación han aumentado considerablemente con respecto a las generaciones anteriores, no es esperable que varíe la estrategia de defensa en profundidad. Por su parte, los diseños de los futuros reactores de cuarta generación se están centrando en que todas las barreras de seguridad sean infalibles, basándose tanto como sea posible en sistemas pasivos y minimizando los activos. Del mismo modo, probablemente la estrategia seguida será la de defensa en profundidad.
Cuando una parte de cualquiera de esos niveles, compuestos a su vez por múltiples sistemas y barreras, falla (por defecto de fabricación, desgaste, o cualquier otro motivo), se produce un aviso a los controladores que a su vez se lo comunican a los inspectores residentes en la central nuclear. Si los inspectores consideran que el fallo puede comprometer el nivel de seguridad en cuestión elevan el aviso al organismo regulador (en España el CSN). A estos avisos se les denomina sucesos notificables.8 9 En algunos casos, cuando el fallo puede hacer que algún parámetro de funcionamiento de la central supere las Especificaciones Técnicas de Funcionamiento (ETF) definidas en el diseño de la central (con unos márgenes de seguridad), se produce un paro automático de la reacción en cadena llamado SCRAM. En otros casos la reparación de esa parte en cuestión (una válvula, un aspersor, una compuerta,...) puede llevarse a cabo sin detener el funcionamiento de la central.
Si cualquiera de las barreras falla aumenta la probabilidad de que suceda un accidente. Si varias barreras fallan en cualquiera de los niveles, puede finalmente producirse la ruptura de ese nivel. Si varios de los niveles fallan puede producirse un accidente, que puede alcanzar diferentes grados de gravedad. Esos grados de gravedad se organizaron en la Escala Internacional de Accidentes Nucleares (INES) por el OIEA y la AEN, iniciándose la escala en el 0 (sin significación para la seguridad) y acabando en el 7 (accidente grave). El incidente (denominados así cuando se encuentran en grado 3 o inferiores)Vandellós I en 1989, catalogado a posteriori (no existía ese año la escala en España) como de grado 3 (incidente importante).10
La ruptura de varias de estas barreras (no existía independencia con el gobierno, el diseño del reactor era de reactividad positiva, la planta no poseía edificio de contención, no existían planes de emergencia, etc.) causó el accidente nuclear más grave ocurrido: el accidente de Chernóbil, de nivel 7 en la Escala Internacional de Accidentes Nucleares (INES).
Sistema de refrigeración en una central nuclear
El sistema de refrigeración se encarga de que no se sobrecaliente el reactor y esto produzca una fusión en el núcleo del reactor. Funciona de la siguiente manera: Mediante un caudal de agua de 44.600 kg/s aportado por un tercer circuito semiabierto, denominado "Sistema de Circulación", se realiza la refrigeración del condensador. Este sistema consta de dos torres de refrigeración de tiro natural, un canal de recogida del agua y las correspondientes bombas de impulsión para la refrigeración del condensador y elevación del agua a las torres. El caudal de agua evaporado por la torre es restituido a partir de la toma de agua en un azud de un río próximo.
Temas ambientales.
El tema ambiental más importante se relaciona con la pregunta si las plantas nucleares (incluyendo la producción del combustible, los sistemas de enfriamiento y de eliminación de los desechos) pueden ser operadas dentro de las normas de seguridad aceptables, expresadas principalmente en términos de las fugas de radioactividad. Hay grandes diferencias de opinión en cuanto a lo aceptable con respecto, tanto a los costos, como a la probabilidad de sufrir accidentes, particularmente los que son catastróficos.
Fallas Catastróficas: Tanto las plantas nucleares, como las hidroeléctricas, tienen solamente una pequeña probabilidad de sufrir una falla catastrófica, pero algunos expertos señalan las fallas de los sistemas de las instalaciones nucleares, en las que el riesgo es mucho mayor que el de las represas hidroeléctricas (donde el peligro es estructural). El caso más catastrófico es mucho peor para una planta nuclear que para una instalación hidroeléctrica, debido a los impactos a largo plazo para la salud (como en Chernobyl). En ambos casos, es una población involuntaria que soporta las consecuencias. Constituye un criterio de valor político muy complejo, el grado en que el gobierno está dispuesto a exponer sus ciudadanos al riesgo de estos eventos. En el caso de la energía nuclear, la falta de antecedentes históricos significativos complica estas decisiones.
Radiación de Bajo Nivel: es difícil estudiar los efectos a largo plazo de la exposición a la radiación de bajo nivel, porque los ocultan otros efectos (químicos, fumar, dieta, etc.) y, por lo tanto, no pueden ser detectados.
Por eso, los ambientalistas son fuertemente antinucleares. Enfatizan que el riesgo significa exponer a la gente, involuntariamente, y que los costos ambientales son tan elevados que excluirían la energía nuclear, aunque fuera más económica. Sin embargo, durante las consultas recientes sobre el efecto de invernadero, los proponentes de la energía nuclear han sugerido que ésta puede ser parte de la respuesta, siempre que se puedan diseñar plantas nucleares seguras y pasivas. Algunos ambientalistas están listos para revertir su criterio hasta que se compruebe que estas plantas sean positivamente seguras.
La percepción de ocultación y la falta de franqueza que caracteriza la operación de las plantas de energía nuclear complican más el tema. En los años recientes, algunos accidentes han sembrado dudas en la mente del público acerca de la aptitud de la industria y la seguridad del proceso. Muchos dudan de la credibilidad de la industria.
La industria y los gobiernos que la apoyan creen que si se opera la planta correctamente, los costos ambientales serán limitados y los riesgos serán aceptables. Sostienen que los antecedentes de seguridad de la industria nuclear se comparan favorablemente con las otras fuentes de energía, aun si se toma en cuenta a Chernobyl, que fue una tecnología, inherentemente inestable, que no está disponible en los países en desarrollo. La pérdida estimada de vidas en este desastre, según algunas fuentes, es menor que la que han causado las fallas de algunas grandes represas. Sin embargo, los efectos más permanentes de Chernobyl, si bien son inciertos todavía, están llegando a ser más conocidos, y aumentan mucho el costo. En comparación, el accidente de la represa Morvi que ocurrió en la India, en 1979, causó unas 15.000 muertes y los números de Chernobyl se están aproximando a esa cifra, o la superan ampliamente si se consideran las secuelas a mediano y largo plazo.
Ultimamente, ha aumentado la preocupación acerca del impacto sobre la atmósfera de la liberación de C02 como resultado del uso de los combustibles fósiles el efecto de invernadero. La industria nuclear ha sugerido que la ventaja de la energía nuclear sobre los combustibles fósiles a este respecto, podría justificar su costo más elevado. Los opositores sostienen que la conservación constituye la mejor alternativa, particularmente para los países desarrollados, porque reduce la necesidad de inversiones nuevas y grandes.
Los temas ambientales se han vuelto altamente emotivos y politizados. Los expertos de los dos lados son sospechados y, cada vez más, se resuelven las diferencias a un gran costo, a través de los procesos políticos y judiciales como, por ejemplo, en los Estados Unidos (Shoreham, Long Island), Suecia e Italia.
La central se ha realizado con un diseño específico que prevé estructuras civiles adecuadas, sistemas duplicados que responden al fallo previsto de uno de ellos y coeficientes de sobredimensionamiento para resistir el sismo máximo esperable, proteger contra las radiaciones ionizantes, prevenir los accidentes posibles y mitigar sus consecuencias. Por este motivo, los edificios de una central nuclear en comparación con una convencional de similar potencia son mucho más robustos y más grandes para alojar los sistemas redundantes instalados.
Funcionamiento:
Las centrales nucleares constan principalmente de cuatro partes:
-El reactor nuclear, donde se produce la reacción nuclear.
-El generador de vapor de agua (sólo en las centrales de tipo PWR).
-La turbina, que mueve un generador eléctrico para producir electricidad con la expansión del vapor.
-El condensador, un intercambiador de calor que enfría el vapor transformándolo nuevamente en líquido.
El reactor nuclear es el encargado de realizar la fisión o fusión de los átomos del combustible nuclear, como uranio, generando como residuo el plutonio, liberando una gran cantidad de energía calorífica por unidad de masa de combustible.
El generador de vapor es un intercambiador de calor que transmite calor del circuito primario, por el que circula el agua que se calienta en el reactor, al circuito secundario, transformando el agua en vapor de agua que posteriormente se expande en las turbinas, produciendo el movimiento de éstas que a la vez hacen girar los generadores, produciendo la energía eléctrica. Mediante un transformador se aumenta la tensión eléctrica a la de la red de transporte de energía eléctrica.
Después de la expansión en la turbina el vapor es condensado en el condensador, donde cede calor al agua fría refrigerante, que en las centrales PWR procede de las torres de refrigeración. Una vez condensado, vuelve al reactor nuclear para empezar el proceso de nuevo.
Las centrales nucleares siempre están cercanas a un suministro de agua fría, como un río, un lago o el mar, para el circuito de refrigeración, ya sea utilizando torres de refrigeración o no.
Central nuclear con un reactor de agua a presión. (RAP, PWR en ingles)
1- Edificio de contención. 2- Torre de refrigeración. 3- Reactor. 4- Barras de control. 5- Acumulador de presión. 6- Generador de vapor. 7- Combustible nuclear. 8- Turbina. 9- Generador eléctrico. 10- Transformador. 11- Condensador. 12- Vapor. 13- Líquido saturado. 14- Aire ambiente. 15- Aire húmedo. 16- Río. 17- Circuito de refrigeración. 18- Circuito primario. 19- Circuito secundario. 20- Emisión de aire húmedo (con vapor de agua). 21- Bomba de vapor de agua.
Seguridad
Como cualquier actividad humana, una central nuclear de fisión conlleva riesgos y beneficios. Los riesgos deben preverse y analizarse para poder ser mitigados. A todos aquellos sistemas diseñados para eliminar o al menos minimizar esos riesgos se les llama sistemas de protección y control. En una central nuclear de uso civil se utiliza una aproximación llamada defensa en profundidad. Esta aproximación sigue un diseño de múltiples barreras para alcanzar ese propósito. Una primera aproximación a las distintas barreras utilizadas (cada una de ellas múltiple), de fuera adentro podría ser:
Autoridad reguladora: es el organismo encargado de velar que el resto de barreras se encuentren en perfecto funcionamiento. No debe estar vinculado a intereses políticos ni empresariales, siendo sus decisiones vinculantes.
Normas y procedimientos: todas las actuaciones deben regirse por procedimientos y normas escritas. Además se debe llevar a cabo un control de calidad y deben estar supervisadas por la autoridad reguladora.
Primera barrera física (sistemas pasivos): sistemas de protección intrínsecos basados en las leyes de la física que dificultan la aparición de fallos en el sistema del reactor. Por ejemplo el uso de sistemas diseñados con reactividad negativa o el uso de edificios de contención.
Segunda barrera física (sistemas activos): Reducción de la frecuencia con la que pueden suceder los fallos. Se basa en la redundancia, separación o diversidad de sistemas de seguridad destinados a un mismo fin. Por ejemplo las válvulas de control que sellan los circuitos.
Tercera barrera física: sistemas que minimizan los efectos debidos a sucesos externos a la propia central. Como los amortiguadores que impiden una ruptura en caso de sismo.
Barrera técnica: todas las instalaciones se instalan en ubicaciones consideradas muy seguras (baja probabilidad de sismo o vulcanismo) y altamente despobladas.
Salvaguardas técnicas.
Además debe estar previsto qué hacer en caso de que todos o varios de esos niveles fallaran por cualquier circunstancia. Todos, los trabajadores u otras personas que vivan en las cercanías, deben poseer la información y formación necesaria. Deben existir planes de emergencia que estén plenamente operativos. Para ello es necesario que sean periódicamente probados mediante simulacros. Cada central nuclear posee dos planes de emergencia: uno interior y uno exterior, comprendiendo el plan de emergencia exterior, entre otras medidas, planes de evacuación de la población cercana por si todo lo demás fallara.
Aunque los niveles de seguridad de los reactores de tercera generación han aumentado considerablemente con respecto a las generaciones anteriores, no es esperable que varíe la estrategia de defensa en profundidad. Por su parte, los diseños de los futuros reactores de cuarta generación se están centrando en que todas las barreras de seguridad sean infalibles, basándose tanto como sea posible en sistemas pasivos y minimizando los activos. Del mismo modo, probablemente la estrategia seguida será la de defensa en profundidad.
Cuando una parte de cualquiera de esos niveles, compuestos a su vez por múltiples sistemas y barreras, falla (por defecto de fabricación, desgaste, o cualquier otro motivo), se produce un aviso a los controladores que a su vez se lo comunican a los inspectores residentes en la central nuclear. Si los inspectores consideran que el fallo puede comprometer el nivel de seguridad en cuestión elevan el aviso al organismo regulador (en España el CSN). A estos avisos se les denomina sucesos notificables.8 9 En algunos casos, cuando el fallo puede hacer que algún parámetro de funcionamiento de la central supere las Especificaciones Técnicas de Funcionamiento (ETF) definidas en el diseño de la central (con unos márgenes de seguridad), se produce un paro automático de la reacción en cadena llamado SCRAM. En otros casos la reparación de esa parte en cuestión (una válvula, un aspersor, una compuerta,...) puede llevarse a cabo sin detener el funcionamiento de la central.
Si cualquiera de las barreras falla aumenta la probabilidad de que suceda un accidente. Si varias barreras fallan en cualquiera de los niveles, puede finalmente producirse la ruptura de ese nivel. Si varios de los niveles fallan puede producirse un accidente, que puede alcanzar diferentes grados de gravedad. Esos grados de gravedad se organizaron en la Escala Internacional de Accidentes Nucleares (INES) por el OIEA y la AEN, iniciándose la escala en el 0 (sin significación para la seguridad) y acabando en el 7 (accidente grave). El incidente (denominados así cuando se encuentran en grado 3 o inferiores)Vandellós I en 1989, catalogado a posteriori (no existía ese año la escala en España) como de grado 3 (incidente importante).10
La ruptura de varias de estas barreras (no existía independencia con el gobierno, el diseño del reactor era de reactividad positiva, la planta no poseía edificio de contención, no existían planes de emergencia, etc.) causó el accidente nuclear más grave ocurrido: el accidente de Chernóbil, de nivel 7 en la Escala Internacional de Accidentes Nucleares (INES).
Sistema de refrigeración en una central nuclear
El sistema de refrigeración se encarga de que no se sobrecaliente el reactor y esto produzca una fusión en el núcleo del reactor. Funciona de la siguiente manera: Mediante un caudal de agua de 44.600 kg/s aportado por un tercer circuito semiabierto, denominado "Sistema de Circulación", se realiza la refrigeración del condensador. Este sistema consta de dos torres de refrigeración de tiro natural, un canal de recogida del agua y las correspondientes bombas de impulsión para la refrigeración del condensador y elevación del agua a las torres. El caudal de agua evaporado por la torre es restituido a partir de la toma de agua en un azud de un río próximo.
Temas ambientales.
El tema ambiental más importante se relaciona con la pregunta si las plantas nucleares (incluyendo la producción del combustible, los sistemas de enfriamiento y de eliminación de los desechos) pueden ser operadas dentro de las normas de seguridad aceptables, expresadas principalmente en términos de las fugas de radioactividad. Hay grandes diferencias de opinión en cuanto a lo aceptable con respecto, tanto a los costos, como a la probabilidad de sufrir accidentes, particularmente los que son catastróficos.
Fallas Catastróficas: Tanto las plantas nucleares, como las hidroeléctricas, tienen solamente una pequeña probabilidad de sufrir una falla catastrófica, pero algunos expertos señalan las fallas de los sistemas de las instalaciones nucleares, en las que el riesgo es mucho mayor que el de las represas hidroeléctricas (donde el peligro es estructural). El caso más catastrófico es mucho peor para una planta nuclear que para una instalación hidroeléctrica, debido a los impactos a largo plazo para la salud (como en Chernobyl). En ambos casos, es una población involuntaria que soporta las consecuencias. Constituye un criterio de valor político muy complejo, el grado en que el gobierno está dispuesto a exponer sus ciudadanos al riesgo de estos eventos. En el caso de la energía nuclear, la falta de antecedentes históricos significativos complica estas decisiones.
Radiación de Bajo Nivel: es difícil estudiar los efectos a largo plazo de la exposición a la radiación de bajo nivel, porque los ocultan otros efectos (químicos, fumar, dieta, etc.) y, por lo tanto, no pueden ser detectados.
Por eso, los ambientalistas son fuertemente antinucleares. Enfatizan que el riesgo significa exponer a la gente, involuntariamente, y que los costos ambientales son tan elevados que excluirían la energía nuclear, aunque fuera más económica. Sin embargo, durante las consultas recientes sobre el efecto de invernadero, los proponentes de la energía nuclear han sugerido que ésta puede ser parte de la respuesta, siempre que se puedan diseñar plantas nucleares seguras y pasivas. Algunos ambientalistas están listos para revertir su criterio hasta que se compruebe que estas plantas sean positivamente seguras.
La percepción de ocultación y la falta de franqueza que caracteriza la operación de las plantas de energía nuclear complican más el tema. En los años recientes, algunos accidentes han sembrado dudas en la mente del público acerca de la aptitud de la industria y la seguridad del proceso. Muchos dudan de la credibilidad de la industria.
La industria y los gobiernos que la apoyan creen que si se opera la planta correctamente, los costos ambientales serán limitados y los riesgos serán aceptables. Sostienen que los antecedentes de seguridad de la industria nuclear se comparan favorablemente con las otras fuentes de energía, aun si se toma en cuenta a Chernobyl, que fue una tecnología, inherentemente inestable, que no está disponible en los países en desarrollo. La pérdida estimada de vidas en este desastre, según algunas fuentes, es menor que la que han causado las fallas de algunas grandes represas. Sin embargo, los efectos más permanentes de Chernobyl, si bien son inciertos todavía, están llegando a ser más conocidos, y aumentan mucho el costo. En comparación, el accidente de la represa Morvi que ocurrió en la India, en 1979, causó unas 15.000 muertes y los números de Chernobyl se están aproximando a esa cifra, o la superan ampliamente si se consideran las secuelas a mediano y largo plazo.
Ultimamente, ha aumentado la preocupación acerca del impacto sobre la atmósfera de la liberación de C02 como resultado del uso de los combustibles fósiles el efecto de invernadero. La industria nuclear ha sugerido que la ventaja de la energía nuclear sobre los combustibles fósiles a este respecto, podría justificar su costo más elevado. Los opositores sostienen que la conservación constituye la mejor alternativa, particularmente para los países desarrollados, porque reduce la necesidad de inversiones nuevas y grandes.
Los temas ambientales se han vuelto altamente emotivos y politizados. Los expertos de los dos lados son sospechados y, cada vez más, se resuelven las diferencias a un gran costo, a través de los procesos políticos y judiciales como, por ejemplo, en los Estados Unidos (Shoreham, Long Island), Suecia e Italia.