CENTRALES NUCLEARES I
Central nuclear de Cofrentes
Mucha gente considera la energía nuclear como un invento diabólico del hombre. Nada más lejos de la realidad. No es más que un fenómeno natural, muy abundante en nuestro universo y determinante en su formación. Las estrellas, y entre ellas nuestro sol, no son más que grandiosas centrales nucleares y todas las formas de energía existentes en nuestro planeta tienen, de una u otra forma, su origen en él.
El uso pacífico de la energía nuclear ha arrastrado desde el principio el estigma de sus orígenes bélicos. El primer reactor nuclear fue desarrollado durante el proyecto Manhattan, en el marco de las investigaciones para la construcción de las dos primeras bombas nucleares (las únicas utilizadas con fines bélicos) en la historia del mundo que dieron fin a la Segunda Guerra Mundial.
Coincidieron en el tiempo las primeras utilizaciones civiles industriales de la energía nuclear, con la carrera de las grandes superpotencias del mundo por dotarse de armamento nuclear. Ello dio lugar a que las primeras centrales tuvieran una utilización mixta: producción de electricidad y obtención de plutonio para usos militares. Afortunadamente para la humanidad, la toma de conciencia de la magnitud de la catástrofe que podía producirse (Destrucción Mutua Asegurada) hizo que nunca se utilizaran. Sin embargo, se realizaron multitud de pruebas, tanto en la atmósfera como subterráneas. En un próximo articulo las detallaré en un cuadro cuyos datos son escalofriantes.
Como colofón de esta serie de artículos sobre la energía y la generación de electricidad, voy a tratar de exponer de forma sencilla y comprensible, el funcionamiento de las centrales nucleares.
Una central nuclear no es más que una térmica cuya diferencia con las anteriormente descritas es un componente: en lugar de un quemador de combustibles fósiles dispone de un reactor. Por lo demás, es una planta para producir electricidad a gran escala de la forma que ha demostrado ser más eficaz hasta ahora: haciendo girar una turbina conectada a un generador.
¿Qué es y cómo funciona el reactor? Es el lugar donde se produce el calor necesario para generar el vapor que ha de mover la turbina. Funciona mediante un proceso denominado fisión nuclear, proceso por el cual el núcleo de un átomo de un elemento pesado que es bombardeado por neutrones se fragmenta en dos, emitiendo otros neutrones, radiación gamma y liberando gran cantidad de energía, la mayor parte en forma de calor. La energía producida viene definida por la ecuación de Einstein, E=mc2, o sea la energía producida es igual a la masa desplazada por su velocidad al cuadrado. Las masas de los átomos son magnitudes pequeñísimas (un número fraccionario precedido de hasta 30 ceros), pero al multiplicarlo por el cuadrado de la velocidad de la luz (casi 300.000.000 m/s., número que al elevarlo al cuadrado se acerca al trillón), la cantidad de energía que se libera es masiva. A efectos ilustrativos, considere que la energía producida en la fisión de 1 kg de 235U (una esfera de apenas 0,33 cm de diámetro) equivale a quemar 3.000 toneladas de carbón. La manera de inducir la fisión es hacer colisionar un neutrón lento contra núcleos pesados apropiados que para romperse tengan que superar una barrera de fisión pequeña. Los mejores núcleos para ello son el Uranio 235 (235U) y Plutonio 239 (239Pu).
El 235U existe en la naturaleza pero en muy poca cantidad, porque está acompañando al Uranio 238 (238U), que sí es muy abundante pero muy poco fisionable. La proporción del 235U en el Uranio natural, en todas las minas del planeta e incluso en rocas traídas de la Luna y meteoritos, es siempre la misma: 0,72% del total.
El 239Pu no existe en la naturaleza y la manera de obtenerlo es por colisión de neutrones rápidos sobre 238U. Si en la fisión de cualquiera de estos dos elementos se producen más neutrones de los que se consumen se podría desarrollar una reacción en cadena. Pero para que esto ocurra se ha de alcanzar una masa crítica que para el 235U es de 52 kilos (una esfera de 17 cm. de diámetro), y 10 kilos (una esfera de 9,9 cm) para el 239Pu. Ambos son materiales de gran densidad. Para evitar la posible reacción descontrolada, hay que absorber a voluntad los neutrones producidos manteniéndolos en un número promedio similar al recibido, esto es en torno a uno, y la forma de hacerlo es introducir entre el material fisionable elementos cuyos núcleos absorben fácilmente los neutrones. Por ejemplo, cadmio o boro. Los núcleos al fisionarse, producen fragmentos muy variados que en su mayor parte son radiactivos y con vidas medias muy diferentes.
Hay otros elementos característicos del reactor de la central nuclear que se exponen a continuación.
El combustible. Se llama combustible al 235U, enriquecido, entre un 2 y un 5%, aunque lo más habitual es un 3%. Se presenta en forma de unas pequeñas piezas de óxido de uranio (UO2), de forma y tamaño similar a la boquilla de un cigarrillo. Están en el interior de una varilla hueca, generalmente de circonio, de unos 4 metros de largo y un diámetro de apenas 1 centímetro. Varios cientos de varillas de éstas unidas por clips se agrupan en lo que se llama elemento combustible. Y un centenar o más de estos elementos forman el corazón del reactor. En total tenemos unas 50.000 varillas llenas de píldoras de UO2.
La denominación de combustible no es adecuada, puesto que la combustión es una reacción química en la que un elemento reacciona con el oxígeno (se quema) generando calor, pero en este proceso no se produce combustión. Se usa por la similitud de su función al de las térmicas convencionales.
Moderador. Es el elemento que frena los neutrones que surgen de cada fisión, manteniendo la reacción en cadena, puesto que son los neutrones al chocar con otros núcleos los que la mantienen. Y son especialmente los lentos, los más eficientes para provocar nuevas fisiones; por ello los núcleos de los átomos del elemento empleado como moderador, deben tener poca facilidad para absorber neutrones y una masa pequeña. En el primer reactor experimental se utilizó grafito, porque tiene una tendencia muy baja a absorber neutrones y es barato. Se utiliza poco en la actualidad porque presenta otros problemas.
El refrigerante. Hay que enfriar las varillas que contienen el óxido de uranio, porque alcanzan temperaturas muy elevadas y podrían fundirse; el calor que se absorbe al enfriarlas, es el que necesitamos para generar vapor a muy alta temperatura que será el que moverá la turbina y con ella el generador. El proceso de calentamiento y enfriamiento del agua que es el fluido de trabajo es un proceso continuo. Nótese que al hablar de enfriamiento del agua, siempre es en términos relativos. En los reactores de agua ligera a presión (PWR), que son la mayoría, se bombea al interior del núcleo a una temperatura de 290º, y sale de él a 325º. Al estar sometida a alta presión, nunca alcanza el punto de ebullición.
El controlador. El último elemento del reactor es un mecanismo compuesto de elementos que tienen una enorme tendencia a absorber neutrones. Está próximo a las varillas de combustible (en varillas similares a ellas) y debe ser simple, robusto y seguro; desempeña dos papeles muy relacionados entre sí: por un lado mantener el flujo de neutrones en los niveles adecuados para mantener la reacción dentro de los límites establecidos, y por otro, para detener de forma instantánea la reacción bloqueando el flujo de neutrones en caso de emergencia.
Generalmente son de boro, elemento eficiente para este cometido y relativamente económico. En la mayor parte de los reactores, las varillas de control caen automáticamente en caso de situación de emergencia total. En los modernos diseños, además de las barras de control existen sistemas de seguridad que permiten inyectar directamente en el moderador elementos absorbentes de neutrones para detener la reacción casi instantáneamente.
ESQUEMA DE UNA CENTRAL NUCLEAR PWR
Una vez conocidos los elementos del reactor, podemos seguir de forma sencilla el funcionamiento de la central nuclear con ayuda de la ilustración adjunta. Hago notar, que una parte importante del edificio de contención, está construida por debajo del nivel del suelo por motivos de seguridad.
La vasija del reactor contiene los elementos combustibles, las varillas de control, el moderador y el fluido de trabajo, por lo general agua. El calor desprendido por las varillas en el proceso de fisión calienta el agua a temperatura elevada y unas bombas la impulsan hacia los generadores de vapor. Este a su vez se dirige a presión a la turbina. Una vez hecho esto, hay que dirigirlo de nuevo a su circuito, que es el llamado primario, de nuevo en estado líquido.
Tras mover la turbina el vapor se enfría, pero no lo suficiente para que el rendimiento térmico del sistema sea óptimo. La manera de enfriar ese vapor convirtiéndolo de nuevo en agua es, cediendo el exceso de calor al agua de otro circuito, el secundario, conectado con torres de enfriamiento en las que baja su temperatura lo suficiente para volver a enfriar el vapor del circuito primario. Las torres de enfriamiento son esas enormes estructuras hiperbólicas de hormigón siempre con un penacho blanco emergiendo de ellas que no es más que vapor de agua no muy caliente. Los elementos del circuito primario y los del secundario están diseñados de modo que no pueden entrar nunca en contacto.
El diseño del reactor es muy importante, porque el fluido de trabajo (agua a presión) debe circular con facilidad en toda circunstancia; la temperatura ha de mantenerse por debajo de un límite que no dé lugar a destrucción ni deformación de las varillas de combustible que están sometidas a una intensísima radiación nuclear y las varillas de control deben deslizarse en toda circunstancia con facilidad entre los elementos de combustible para garantizar la seguridad máxima.
En el interior de la vasija hay una radiactividad tan elevada que debe protegerse el acero del que está hecha. Puede conseguirse de varias formas. En algunos diseños, con elementos que se llaman reflectores, que reducen la fuga de neutrones y favorecen el mantenimiento de la reacción en cadena. Pero lo más seguro es que la vasija este construida de una sola una pieza, sin remaches ni soldaduras. Al parecer solo una empresa en el mundo es capaz de fabricar vasijas de una pieza. Está en Japón, y tras las moratorias nucleares en muchos países ha sufrido una crisis profunda y solo tiene capacidad para fabricar cuatro vasijas al año.
La vasija que contiene el reactor está encerrada en un bunker de hormigón que actúa como primer escudo contra la radiación y que a su vez está encerrada, junto con el generador de vapor del circuito primario, en un edificio al que se denomina edificio de contención. El material de que está construido ha de ser resistente, grueso para impedir que lo atraviesen los rayos gamma, y absorbente de neutrones. El hormigón armado es el material que mejor consigue hacerlo. Sus paredes son de varios metros de espesor, reforzadas por columnas de hierro de grandes secciones.
En 1988, los Laboratorios Nacionales de Sandia (USA), llevaron a cabo pruebas de resistencia que consistieron en estrellar un caza a reacción contra un gran bloque de hormigón que simulaba el edificio de contención, a 775 km/h. El avión dejó solo una hendidura de aproximadamente 6 cm de profundidad en el hormigón y ello, a pesar de que el bloque no estaba anclado al suelo como lo está el escudo antimisiles de un edificio de contención. Un estudio posterior realizado por el Instituto de Investigaciones de Energía Eléctrica (EPRI) y estos mismos laboratorios, concluyeron que tampoco los aviones comerciales ponían en riesgo la contención. Se han realizado otras pruebas con impactos de aviones en Reino Unido que han demostrado que no afectarían a la vasija del reactor. Las distintas barreras de seguridad protegen al reactor de cualquier impacto o degradación.
Una cuestión fundamental que hay que dejar clara: un reactor nuclear no puede producir una explosión nuclear en ninguna circunstancia por desastrosa que ésta sea. Como hemos visto arriba, para que un elemento fisionable explote, se ha de descontrolar la reacción en cadena y para ello se ha de alcanzar la masa crítica. La probabilidad de que esto ocurra en la vasija de un reactor es simplemente nula. Incluso si se fundiera todo el combustible, la masa crítica del material fisible (235U) no se alcanzaría jamás. Como veremos más adelante al hablar accidentes, en el único de graves características que se ha producido, el de Chernóbil, se produjo una deflagración química, pero no nuclear, pero la carencia del edificio de protección adecuado, arrojó al exterior gran cantidad de material radiactivo.
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