La energía nuclear es una fuente vital de energía, y los reactores de agua a presión (PWR) son su aplicación más común. Estos reactores utilizan una reacción en cadena controlada para generar calor, que impulsa las turbinas que producen electricidad.
Este artículo profundiza en el funcionamiento interno de los PWR, analizando sus componentes, procesos y características. Examinaremos cómo la fisión produce energía y exploraremos cómo están diseñados los sistemas del reactor y las ventajas y desventajas de este diseño.
Qué es un reactor de agua a presión
Un reactor de agua a presión (PWR) es un tipo de reactor nuclear que utiliza agua ordinaria, conocida como agua ligera, como refrigerante y moderador de neutrones. Este diseño se caracteriza por mantener el agua del circuito primario de refrigeración a alta presión. Esto impide que el agua hierva, incluso a altas temperaturas de funcionamiento. El calor generado se transfiere a un bucle secundario, produciendo vapor para la generación de electricidad. Los PWR son el tipo de reactor nuclear más utilizado en las centrales nucleares de todo el mundo.
Funcionamiento de los reactores de agua a presión
El funcionamiento de un PWR implica varios procesos clave, como la fisión nuclear, la transferencia de calor, la generación de vapor, la generación de electricidad y el reciclado del agua.
Fisión nuclear
La fisión nuclear es el proceso central de producción de energía en un PWR. Consiste en la división de núcleos atómicos pesados, como el uranio, cuando son bombardeados con neutrones. Este proceso libera una gran cantidad de energía en forma de calor y también libera más neutrones. Estos neutrones liberados pueden inducir nuevas reacciones de fisión, creando una reacción en cadena autosostenida dentro del núcleo del reactor. Esta reacción en cadena se controla cuidadosamente mediante barras de control que absorben neutrones, garantizando que la velocidad de reacción sea estable y segura.
Transferencia de calor
El calor generado por la fisión nuclear en el núcleo del reactor se transfiere al circuito primario de refrigeración. Este circuito contiene agua que se mantiene a alta presión para evitar que hierva. El agua calentada circula por el núcleo del reactor y luego llega al generador de vapor. En el generador de vapor, esta agua calentada pasa a través de tubos, transfiriendo su calor al agua del bucle secundario. El bucle de refrigerante primario funciona como un sistema cerrado, haciendo circular la misma agua repetidamente.
Generación de vapor
El bucle secundario de un PWR es donde se genera el vapor. El calor transferido del circuito primario al secundario calienta el agua del circuito secundario. El agua se convierte en vapor a alta presión. Este vapor a alta presión se utiliza para mover las turbinas. La separación de los bucles de agua primario y secundario garantiza que cualquier material radiactivo permanezca contenido en el bucle primario, lo que mejora la seguridad.
Generación de electricidad
El vapor a alta presión producido en el generador de vapor se dirige a una turbina. La fuerza del vapor hace girar los álabes de la turbina, que está conectada a un generador de electricidad. El generador convierte la energía mecánica de la turbina en energía eléctrica. Esta electricidad se distribuye a través de redes eléctricas a hogares e industrias.
Condensación y reciclaje del agua
Tras pasar por la turbina, el vapor se enfría y se condensa de nuevo en agua en un condensador. Este proceso permite reciclar el agua en el circuito secundario. Se precalienta y se devuelve al generador de vapor para ser utilizada de nuevo. Este sistema de circuito cerrado minimiza el consumo de agua y maximiza la eficiencia.
Componentes de los reactores de agua a presión
Un PWR está formado por varios componentes clave:
Núcleo del reactor
El núcleo del reactor es donde tiene lugar la fisión nuclear y está formado por:
- Varillas y elementos combustibles: Las barras de combustible, que contienen el combustible nuclear, están dispuestas en conjuntos. Estos conjuntos se sumergen en agua dentro del núcleo del reactor.
- Combustible: El uranio enriquecido se utiliza como combustible. Suele presentarse en forma de pastillas cerámicas.
- Varillas de control: Estas barras están fabricadas con materiales que absorben neutrones, como el boro o el cadmio. Se insertan en el núcleo para regular el ritmo de fisión nuclear absorbiendo neutrones y manteniendo una reacción en cadena estable.
Recipiente a presión del reactor
La vasija de presión del reactor es un contenedor grande y robusto que alberga el núcleo del reactor, el refrigerante y otros componentes internos. Está diseñada para soportar altas temperaturas y presiones.
Moderador y refrigerante
El agua ordinaria (agua ligera) sirve tanto de moderador de neutrones como de refrigerante en un PWR. Como moderador, ralentiza los neutrones liberados durante la fisión, haciéndolos más propensos a provocar reacciones de fisión adicionales. Como refrigerante, elimina el calor generado por la fisión.
Presurizador
El presurizador es un recipiente conectado al circuito primario que mantiene el sistema a una presión alta y constante. Utiliza calentadores y agua para controlar la presión del refrigerante primario y evitar que hierva.
Generador de vapor
El generador de vapor transfiere el calor del circuito primario de refrigerante al circuito secundario. El agua del circuito secundario se convierte en vapor, que se utiliza para accionar las turbinas.
Lazo de refrigerante primario
El bucle de refrigerante primario es un sistema cerrado que contiene el núcleo del reactor, el presurizador y el generador de vapor. Hace circular agua a alta presión para transferir calor del núcleo del reactor al generador de vapor.
Lazo de refrigerante secundario
El bucle de refrigerante secundario contiene el generador de vapor, la turbina, el condensador y las tuberías asociadas. Está separado del bucle primario. Transporta vapor a la turbina y devuelve agua al generador de vapor.
Características principales de los reactores de agua a presión
Varias características clave definen a los PWR:
- Sistema de agua a presión: El bucle de refrigerante primario se mantiene a alta presión para evitar que el agua hierva, lo que permite una transferencia de calor eficaz a altas temperaturas.
- Sistema de dos bucles: La separación de los circuitos de refrigeración primario y secundario impide que los materiales radiactivos lleguen a la turbina de vapor y garantiza la seguridad.
- Reactor de agua ligera: Los PWR utilizan agua ordinaria como moderador de neutrones y refrigerante, que está fácilmente disponible y es eficaz para el proceso.
Ventajas de los reactores de agua a presión
- Funcionamiento estable: La utilización de un coeficiente de temperatura negativo garantiza la autorregulación del reactor. Si la temperatura aumenta, la tasa de fisión disminuye, lo que evita picos de potencia incontrolados.
- Transferencia de calor efectiva: El agua es un excelente refrigerante, por lo que la eliminación del calor del núcleo del reactor es eficaz.
- Separación de bucles: La separación de los bucles primario y secundario impide la entrada de materiales radiactivos en el sistema de turbinas de vapor, lo que aumenta la seguridad.
Desventajas de los reactores de agua a presión
- Alta presión: La alta presión del bucle de refrigerante primario requiere sistemas de contención robustos y costosos.
- Uranio enriquecido: Los PWR requieren combustible de uranio enriquecido, cuya producción es más cara y compleja.
- Corrosión: Las altas temperaturas y presiones dentro del sistema del reactor pueden provocar la corrosión de los componentes con el paso del tiempo, lo que requiere mantenimiento e inspecciones periódicas.
- Potencial de accidentes: Aunque existen medidas de seguridad, la posibilidad de que se produzca un accidente grave con emisión de radiación sigue siendo motivo de preocupación, por lo que se requieren dispositivos de seguridad avanzados y planes de emergencia.
- Gestión de residuos: Los PWR producen residuos radiactivos que requieren una cuidadosa manipulación, almacenamiento y eliminación, lo que supone un reto medioambiental a largo plazo.
