central nuclear -Nuclear power plant

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

Una central nuclear (a veces abreviada como NPP ) 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 mueve una turbina de vapor conectada a un generador que produce electricidad . A partir de 2022, la Agencia Internacional de Energía Atómica informó que había 439 reactores de energía nuclear en funcionamiento en 32 países de todo el mundo.

Las centrales nucleares se utilizan con mucha frecuencia para la carga base, ya que sus costos de operación, mantenimiento y combustible se encuentran en el extremo inferior del espectro de costos. Sin embargo, la construcción de una planta de energía nuclear a menudo dura de cinco a diez años, lo que puede generar costos financieros significativos, dependiendo de cómo se financien las inversiones iniciales.

Las centrales nucleares tienen una huella de carbono comparable a la de las energías renovables , como los parques solares y los parques eólicos , y mucho menor que la de los combustibles fósiles , como el gas natural y el lignito . A pesar de algunas catástrofes espectaculares, las plantas de energía nuclear se encuentran entre los modos más seguros de generación de electricidad, en comparación con las plantas de energía solar y eólica.

Historia

La primera vez que se utilizó el calor de un reactor nuclear para generar electricidad fue el 20 de diciembre de 1951 en el Reactor Experimental Breeder I , alimentando cuatro focos.

El 27 de junio de 1954, la primera central nuclear del mundo en generar electricidad para una red eléctrica , la central nuclear de Obninsk , comenzó a operar en Obninsk , en la Unión Soviética . La primera central eléctrica a gran escala del mundo, Calder Hall en el Reino Unido , se inauguró el 17 de octubre de 1956. 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

Sistemas

La conversión a energía eléctrica se produce 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 va a un generador de vapor y calienta el agua para producir vapor. Luego, el vapor presurizado generalmente se alimenta a una turbina de vapor de etapas múltiples . 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 refrigeración . Luego, el agua se bombea nuevamente al generador de vapor y el ciclo comienza nuevamente. El ciclo agua-vapor corresponde al ciclo 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, se calienta un refrigerante 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 circula por turbinas , que a su vez alimentan los generadores eléctricos.

Los reactores nucleares generalmente dependen 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 %. U-238 tiene 146 neutrones y U-235 tiene 143 neutrones.

Diferentes isótopos tienen diferentes comportamientos. Por ejemplo, el U-235 es fisionable, lo que significa que se divide fácilmente y emite mucha energía, lo que lo hace ideal para la energía nuclear. Por otro lado, el U-238 no tiene esa propiedad a pesar de ser el mismo elemento. Diferentes isótopos también tienen diferentes vidas medias . 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 contra las bajas internas y los impactos externos.

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

En el caso de un reactor de agua a presión, la turbina de vapor está separada 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 en ebullición pasan agua radiactiva a través de la turbina de vapor, por lo que la turbina se mantiene como parte del área radiológicamente controlada 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 polo bajo 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 puede aprovecharse para producir electricidad o realizar otro trabajo útil. Por lo general, el refrigerante caliente se utiliza como fuente de calor para una caldera, y el vapor presurizado que genera acciona uno o más generadores eléctricos accionados por turbinas de vapor .

En caso de emergencia, se pueden utilizar válvulas de seguridad para evitar que las tuberías revienten 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 allí se condensa. Las cámaras de un intercambiador de calor están conectadas al circuito intermedio de refrigeración.

El condensador principal es un gran intercambiador de calor de carcasa y tubos de flujo cruzado 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 condensado y agua de alimentación.

Algunos reactores nucleares utilizan torres de enfriamiento para condensar el vapor que sale de las turbinas. Todo el vapor liberado nunca está en contacto con la radiactividad.

En el condensador principal, el escape de la turbina de vapor húmedo entra en contacto con miles de tubos por los que fluye agua mucho más fría del 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 de Palo Verde , ubicada en el desierto a unos 97 kilómetros (60 millas) al oeste de Phoenix, Arizona, es la única instalación nuclear que no utiliza un cuerpo de agua natural para enfriar, sino que utiliza aguas residuales tratadas del área metropolitana de Phoenix. área. 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.

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 condensados, aumentar la presión y forzarla hacia los generadores de vapor, en el caso de un reactor de agua a presión , o directamente hacia el reactor, para reactores de agua en ebullición .

El suministro continuo de energía a la planta es fundamental para garantizar un funcionamiento seguro. La mayoría de las centrales nucleares requieren al menos dos fuentes distintas de energía externa para la redundancia. Estos generalmente son proporcionados por múltiples transformadores que están suficientemente separados y pueden recibir energía de múltiples líneas de transmisión. Además, en algunas centrales nucleares, el generador de turbina puede alimentar las cargas de la central mientras la central está en línea, sin necesidad de alimentación externa. Esto se logra a través de transformadores de servicio de la estación que aprovechan la energía de la salida del generador antes de que lleguen al transformador elevador.

Ciencias económicas

Estación de generación nuclear Bruce , la instalación de energía nuclear operativa más grande del mundo

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 del capital de las centrales nucleares. Las estimaciones de costos tienen en cuenta los costos de desmantelamiento de estaciones y 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 potencialmente reciclarse mediante el uso de futuros reactores, los reactores de cuarta generación se están diseñando para cerrar completamente el ciclo del combustible nuclear . Sin embargo, hasta ahora, no ha habido ningún reciclaje real a granel de desechos de una central nuclear, y el almacenamiento temporal en el sitio todavía se usa en casi todos los sitios de la planta debido a problemas de construcción de repositorios geológicos profundos . Solo Finlandia tiene planes de almacenamiento estables, por lo tanto, desde una perspectiva mundial, los costos de almacenamiento de desechos a largo plazo son inciertos.

Central nuclear de Olkiluoto en Eurajoki , Finlandia. El sitio alberga uno de los reactores más potentes conocido como EPR.

Dejando a un lado los costos 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 la Generación III prometen ser al menos un 17 % más eficientes en el consumo de combustible y tienen costos de capital más bajos, mientras que los reactores de la Generación IV prometen mayores ganancias en la eficiencia del combustible y reducciones significativas en los desechos nucleares.

Unidad 1 de la central nuclear de Cernavodă en Rumania

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

El análisis de la economía de la energía nuclear debe tener en cuenta quién asume los riesgos de las incertidumbres futuras. Hasta la fecha, todas las centrales nucleares en funcionamiento fueron desarrolladas por empresas de servicios públicos reguladas o de propiedad estatal, donde muchos de los riesgos asociados con los costos de construcción, el rendimiento operativo, el precio del combustible y otros factores fueron asumidos por los consumidores en lugar de los proveedores. Muchos países ahora han liberalizado 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 la central en lugar de los consumidores, lo que conduce a una evaluación significativamente diferente de la economía de las nuevas centrales nucleares. .

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

En marzo de 2020

  • La energía nuclear es competitiva en costos con otras formas de generación de electricidad, excepto donde hay acceso directo a combustibles fósiles de bajo costo.
  • Los costos de combustible para las plantas nucleares son una proporción menor de los costos totales de generación, aunque los costos de capital son mayores que los de las plantas a carbón y mucho mayores que los de las plantas a gas.
  • Los costos del sistema para la energía nuclear (así como la generación a base de carbón y gas) son mucho más bajos que los de las energías renovables intermitentes.
  • Proporcionar incentivos para la inversión de alto capital a largo plazo en mercados desregulados impulsados ​​por señales de precios a corto plazo presenta un desafío para asegurar un sistema de suministro de electricidad diversificado y confiable.
  • Al evaluar la economía de la energía nucleoeléctrica, se tienen plenamente en cuenta los costos de desmantelamiento y eliminación de desechos.
  • La construcción de plantas de energía nuclear es típica de los grandes proyectos de infraestructura en todo el mundo, cuyos costos y desafíos de entrega tienden a subestimarse.

Seguridad y accidentes

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

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 en 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 que el área circundante sea inhabitable. Las plantas deben ser defendidas contra el robo de material nuclear y el ataque de aviones o misiles militares enemigos.

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 los reactores de segunda generación .

El profesor de sociología Charles Perrow afirma que los sistemas de reactores nucleares complejos y estrechamente acoplados de la sociedad generan fallas múltiples e inesperadas. Estos accidentes son inevitables y no se pueden diseñar en torno a ellos. 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. El estudio del MIT no tiene en cuenta las mejoras en seguridad desde 1970.

Controversia

La ciudad ucraniana de Pripyat abandonada debido a un accidente nuclear, que tuvo lugar en la planta de energía nuclear de Chernobyl el 26 de abril de 1986, vista al fondo.

El debate sobre la energía nuclear sobre el despliegue y uso de reactores de fisión nuclear para generar electricidad a partir de combustible nuclear para 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.

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 suplanta la dependencia de los combustibles importados. Los defensores avanzan la idea 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 de la mayoría de los países occidentales. Destacan que los riesgos de almacenar desechos son pequeños y pueden reducirse aún más mediante el uso de la última tecnología en reactores más nuevos, y el historial de seguridad operativa en el mundo occidental es excelente en comparación con los otros tipos principales de centrales eléctricas.

Los opositores dicen que la energía nuclear presenta muchas amenazas para las personas y el medio ambiente, y que los costos no justifican los beneficios. Las amenazas incluyen riesgos para la salud y daños ambientales por 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 . Otro problema medioambiental es el vertido de agua caliente al mar. El agua caliente modifica las condiciones ambientales para 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 de hecho salen mal, y ha habido muchos accidentes nucleares graves . Los críticos no creen que estos riesgos puedan reducirse a través de nuevas tecnologías , 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 intensivas en energía de la cadena de combustible nuclear , 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 refinamiento y almacenamiento a largo plazo alimentado por una instalación nuclear. . Los países que no tienen minas de uranio no pueden lograr la independencia energética a través de las tecnologías de energía nuclear existentes. Los costos de construcción reales a menudo superan las estimaciones, y los costos de gestión del combustible gastado son difíciles de definir.

El 1 de agosto de 2020, los Emiratos Árabes Unidos inauguraron 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 del Grupo de Consultoría Nuclear, Paul Dorfman, advirtió que la inversión de la nación del Golfo en la planta representa un riesgo de "desestabilizar aún más la volátil región del Golfo, dañar el medio ambiente y aumentar la posibilidad de proliferación nuclear".

reprocesamiento

La tecnología de reprocesamiento nuclear se desarrolló para separar químicamente y recuperar el plutonio fisionable del combustible nuclear irradiado. El reprocesamiento sirve para 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 nuevamente en combustible nuclear MOX para reactores térmicos . 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 costosa. Finalmente, el reactor reproductor puede emplear no solo el plutonio y el uranio reciclados en el combustible gastado, sino todos los actínidos , cerrando el ciclo del combustible nuclear y multiplicando potencialmente la energía extraída del uranio natural por más de 60 veces.

El reprocesamiento nuclear reduce el volumen de los desechos de actividad alta, pero por sí mismo 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 del repositorio (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. En los Estados Unidos, la administración Obama dio un paso atrás en 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.

Indemnización por accidente

La energía nuclear funciona bajo un marco de seguro que limita o estructura las responsabilidades por accidentes de acuerdo con la Convención de París sobre Responsabilidad Civil en Materia de Energía Nuclear , la convención complementaria de Bruselas y la Convención de Viena sobre Responsabilidad Civil por Daños Nucleares . Sin embargo, los estados con la mayoría de las centrales nucleares del mundo, incluidos EE. UU., Rusia, China y Japón, no son parte de las convenciones internacionales de responsabilidad nuclear.

Estados Unidos
En los Estados Unidos, el seguro para incidentes nucleares o radiológicos está cubierto (para instalaciones con licencia hasta 2025) por la Ley de Indemnización de Industrias Nucleares Price-Anderson .
Reino Unido
Según la política energética del Reino Unido a través de su Ley de Instalaciones Nucleares de 1965, la responsabilidad se rige por daños nucleares de los que es responsable un titular de licencia nuclear del Reino Unido. La Ley requiere que el operador responsable pague una compensación por daños hasta un límite de £ 150 millones durante diez años después del incidente. Entre diez y treinta años después, el Gobierno cumple con esta obligación. El Gobierno también es responsable de responsabilidad transfronteriza limitada adicional (alrededor de £ 300 millones) en virtud de convenios internacionales ( Convenio de París sobre responsabilidad civil en el campo de la energía nuclear y Convenio de Bruselas complementario del Convenio de París).

Desmantelamiento

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 trasladarlo de manera segura a un depósito de desechos.

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

Momento y aplazamiento de la clausura

En términos generales, las centrales nucleares se diseñaron originalmente para una vida útil de unos 30 años. Las estaciones más nuevas están diseñadas para una vida útil de 40 a 60 años. El Reactor Centurion es una clase futura de reactor nuclear que está siendo diseñado para durar 100 años.

Uno de los principales factores limitantes del desgaste es el deterioro de la vasija de presión del reactor bajo la acción del bombardeo de neutrones; sin embargo, en 2018, Rosatom anunció que había desarrollado una técnica de recocido térmico para las vasijas de presión del reactor que mejora el daño por radiación y prolonga la vida útil entre 15 y 30 años.

Flexibilidad

Las centrales nucleares se utilizan principalmente para carga base debido a consideraciones económicas. El costo del combustible para las operaciones de una central nuclear es menor que el costo del combustible para la operación de 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 al operarla a menos de su capacidad total.

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

Ver también

notas al pie

enlaces externos