Nov 24, 2017

Capítulo 8 - Centrales eléctricas

104. ¿Qué es una central eléctrica?

Una central eléctrica es una instalación capaz de convertir la energía mecánica, obtenida mediante otras fuentes de energía primaria, en energía eléctrica.

En general, la energía mecánica procede de la transformación de la energía potencial del agua almacenada en un embalse; de la energía térmica suministrada al agua mediante la combustión del carbón, gas natural, o fuelóleo, o a través de la energía de fisión del uranio. Esta energía (en forma de agua que cae desde un nivel superior o de vapor de agua o gas de combustión a alta presión) impulsa los rodetes de una turbina.

52Para realizar la conversión de energía mecánica en eléctrica, se emplean unas máquinas denominadas generadores eléctricos o alternadores, que constan de dos piezas fundamentales: el estátor y el rotor. El estátor es un cilindro metálico hueco en forma de cañón, cuya superficie interior dispone de ranuras que alojan un bobinado de cobre interconectado. El rotor es un eje macizo, también metálico, que se aloja con capacidad de giro en el interior del estátor y cuya superficie también dispone de ranuras que alojan otro bobinado de cobre interconectado que actúa como un electroimán cuando se les aplica una pequeña corriente eléctrica continua proveniente de un tercer equipo exterior llamado excitatriz. La turbina, el alternador y la excitatriz están alineados y comparten el mismo eje de rotación. Cuando el rotor gira a la velocidad de 1.500 ó 3.000 rpm (necesaria para generar con frecuencia de 50 Hz con la que se trabaja en Europa), impulsado por el eje que comparte con la turbina, se produce una corriente inducida en los hilos de cobre del interior del estátor. Estas corrientes proporcionan al generador la denominada fuerza electromotriz, capaz de proporcionar energía eléctrica a cualquier sistema conectado a él.

Esta energía eléctrica generada se envía a través de una red de líneas eléctricas hasta los lugares de consumo. A la salida de la central eléctrica, la tensión es de 110 kV, 220 kV o 380 kV; es decir, mediante un transformador se obtiene una alta tensión, para que las pérdidas en el transporte sean mínimas. Después, en los lugares de consumo, se vuelve a transformar, mediante otros transformadores, a las bajas tensiones conocidas de 380 V y 220 V, que son las que usualmente empleamos en nuestros equipos y aparatos.

105. ¿Qué es una central hidroeléctrica?

Una central hidroeléctrica es aquella en la que la energía potencial del agua almacenada en un embalse se transforma en la energía cinética necesaria para mover el rotor de un generador, y posteriormente transformarse en energía eléctrica.

Las centrales hidroeléctricas se construyen en los cauces de los ríos, creando un embalse para retener el agua. Para ello se construye un muro grueso de piedra, hormigón u otros materiales, apoyado generalmente en alguna montaña. La masa de agua embalsada se conduce a través de una tubería hacia los álabes de una turbina que suele estar a pie de presa, la cual está conectada al generador. Así, el agua transforma su energía potencial en energía cinética, que hace mover los álabes de la turbina.

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Una central eléctrica no almacena energía, sino que su producción sigue a la demanda solicitada por los usuarios. Como esta demanda es variable a lo largo del día, y con la época del año, las centrales eléctricas pueden funcionar con una producción variable. Sin embargo, la eficacia aumenta si la producción es constante; para ello existe un camino para almacenar la energía producida en horas de bajo consumo, y usarla en momentos de fuerte demanda, mediante las centrales hidráulicas de bombeo. Estas centrales tienen dos embalses situados a cotas diferentes. El agua almacenada en el embalse superior produce electricidad al caer sobre la turbina, como antes se indicó, cubriendo las horas de fuerte demanda. El agua llega posteriormente al embalse inferior, momento en que se aprovecha para bombear el agua desde el embalse inferior al superior, usando la turbina como motor, si fuera reversible, o el alternador.

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106. ¿Qué es una central termoeléctrica?

Una central termoeléctrica es una instalación en donde la energía mecánica que se necesita para mover el rotor del generador, y por tanto obtener la energía eléctrica, se obtiene a partir del vapor formado al hervir el agua en una caldera. El vapor generado tiene una gran presión, y se hace llegar a las turbinas para que en su expansión sea capaz de mover los álabes de las mismas.

Las centrales termoeléctricas consumen carbón, fuelóleo o gas natural. En dichas centrales la energía de la combustión del carbón, fuelóleo o gas natural se emplea para hacer la transformación del agua en vapor.

Una central termoeléctrica se compone de una caldera y de una turbina que mueve el generador eléctrico. La caldera es el elemento fundamental, y en ella se produce la combustión del carbón, fuelóleo o gas.

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107. ¿Qué es una central nuclear?

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 y 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.

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108. ¿Qué es un reactor nuclear y qué elementos lo constituyen?

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. Un reactor nuclear consta de varios elementos, que tienen cada uno un papel importante en la generación de calor. Estos elementos son:

  • 57• El combustible, formado por un material fisionable, generalmente un compuesto de uranio, en el que tienen lugar las reacciones de fisión, y por tanto es la fuente de generación de calor.
  • • El moderador, que hace disminuir la velocidad de los neutrones rápidos producidos en la fisión nuclear, convirtiéndolos en neutrones lentos o térmicos. Este elemento no existe en los reactores denominados rápidos. Se emplean como materiales moderadores el agua, el grafito y el agua pesada.
  • • El refrigerante, que extrae el calor generado por el combustible del reactor. Generalmente se usan refrigerantes líquidos, como el agua ligera y el agua pesada, o gases como el anhídrido carbónico y el helio.
  • • El reflector, que permite reducir el escape de neutrones de la zona del combustible, y por tanto disponer de más neutrones para la reacción en cadena. Los materiales usados como reflectores son el agua, el grafito y el agua pesada.
  • • Los elementos de control, que actúan como absorbentes de neutrones, permiten controlar en todo momento la población de neutrones, y por tanto, la reactividad del reactor, haciendo que sea crítico durante su funcionamiento, y subcrítico durante las paradas. Los elementos de control tienen forma de barras, aunque el absorbente también puede encontrarse diluido en el refrigerante.
  • • El blindaje, que evita el escape de radiación gamma y de neutrones del reactor. Los materiales usados como blindaje son el hormigón, el agua y el plomo.
  • • La vasija del reactor aloja el combustible, los elementos de control y el moderador, permitiendo el paso indispensable del refrigerante.

109. ¿Qué tipos de reactores nucleares se emplean en las centrales nucleares?

Los reactores nucleares se clasifican, de acuerdo con la velocidad de los neutrones que producen las reacciones de fisión, en reactores rápidos y reactores térmicos. Por tanto, las centrales nucleoeléctricas existentes tendrán un reactor rápido o un reactor térmico.

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. Con cada uno de estos reactores está asociado generalmente el tipo de combustible usado, así como el refrigerante empleado.

Los reactores más empleados en las centrales nucleoeléctricas son:

  1. Reactor de agua a presión (PWR), que emplea agua ligera como moderador y refrigerante y 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.
  2. Reactor de agua en ebullición (BWR), que 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 reducido su contenido de humedad, se conduce hacia la turbina sin necesidad de emplear el generador de vapor.58
  3. Reactor de agua pesada (HWR), que emplea agua pesada como moderador. Existen versiones en las que el refrigerante es agua pesada a presión, o agua ligera en ebullición. Puede emplear uranio natural o ligeramente enriquecido como combustible.
  4. Reactor de grafito-gas. Este tipo de reactores usa grafito como moderador y CO2 como refrigerante. Mientras que los primeros reactores de este tipo emplearon uranio natural en forma metálica, los actuales denominados avanzados de gas (AGR) utilizan óxido de uranio enriquecido; y los denominados reactores de alta temperatura (HTGR), usan helio como refrigerante.
  5. Reactor de agua en ebullición (RBMK), moderado por grafito, desarrollado en la Unión Soviética, que consiste en un reactor moderado por grafito, con uranio enriquecido, y refrigerado por agua en ebullición. Este tipo de reactores no se ha empleado en Europa occidental.

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110. ¿Qué es un reactor rápido?

En este tipo de reactores no existe el elemento moderador para los neutrones y por tanto el flujo de neutrones cae en la zona de los neutrones rápidos. En estos reactores el combustible de la zona central, formado por un óxido de uranio y plutonio, se rodea de una zona de óxido de uranio empobrecido, con un contenido de uranio-235 menor o igual al del uranio natural.

Con esta disposición, y si se usa un refrigerante que no produzca la moderación de neutrones (normalmente se emplea sodio líquido), se puede conseguir que en la capa de U-238 que rodea al combustible se genere más plutonio que el que se consume. De esta forma, al mismo tiempo que se está generando energía térmica, se está produciendo combustible en forma de Pu-239, que puede usarse en cualquier tipo de reactor, tanto rápido como térmico.

A este tipo de reactores también se los conoce por reactores reproductores, y su importancia es enorme, ya que permiten obtener un mejor aprovechamiento de los recursos existentes de uranio.

Hasta este momento existen muy pocos países que dispongan de centrales nucleoeléctricas con este tipo de reactores. En primer lugar, Francia con el Superphenix de 1.200 MWe que ha funcionado hasta 1998, y ha sido la mayor central de estas características. Le sigue la antigua Unión Soviética e India, que tienen reactores de baja y media potencia en operación. En la actualidad, ha aumentado el interés por estos reactores y existen programas importantes de desarrollo en régimen internacional.

111. ¿Qué tipo de reactores se emplean en las centrales nucleares españolas?

En el período comprendido entre 1965 y 1973 se efectuó el diseño, construcción y puesta a punto de tres centrales, llamadas de la primera generación, cada una con una tecnología diferente. Estas centrales fueron José Cabrera, con un reactor de agua ligera a presión (PWR), Santa María de Garoña, con un reactor de agua ligera en ebullición (BWR), y Vandellós-I, con un reactor de grafito refrigerado por anhídrido carbónico.

En 1972 se contrataron nuevas centrales, las cuales se pusieron en funcionamiento a lo largo de los años ochenta. Estas son: Almaraz, con dos reactores del tipo agua ligera a presión, Ascó con dos unidades del mismo tipo que las anteriores, y Cofrentes con un reactor de agua ligera en ebullición.

Posteriormente, se pusieron en funcionamiento las centrales de Vandellós- II y Trillo, ambas con un reactor de agua ligera a presión. En 1989 y 2006, respectivamente, han dejado de funcionar las centrales de Vandellós- I y José Cabrera.

Por tanto, en España, la tecnología adoptada en los reactores de las centrales nucleares españolas es del tipo de agua ligera, de diseño occidental. Solamente una central tuvo la tecnología de los reactores de grafito.

112. ¿Qué es un reactor de fusión nuclear?

Un reactor de fusión es aquella instalación en la que tienen lugar reacciones nucleares de fusión en un combustible formado por isótopos de hidrógeno (deuterio y tritio), liberándose energía en forma de calor, para después transformarla en energía eléctrica.

Actualmente no existe ningún reactor de fusión que permita obtener energía eléctrica, aunque sí existen instalaciones de investigación en las que se estudian reacciones de fusión, así como la tecnología que se empleará en dichas centrales en un futuro.

Los reactores nucleares de fusión serán, en un futuro, de dos tipos: aquellos que empleen el confinamiento magnético, y los que empleen elconfinamiento inercial.

Un reactor de fusión por confinamiento magnético está formado por:

  • • Una cámara de reacción, limitada por una pared metálica.
  • • Una cubierta de material formada por litio, que sirva tanto para extraer el calor de la pared metálica y para la producción de tritio, suponiendo que el combustible de la cámara de reacción sea deuterio-tritio.
  • • Unas grandes bobinas para generar el campo magnético.
Una protección contra las radiaciones. Un reactor de fusión por confinamiento inercial estará formado por:
  • • Una cámara de reacción de menor tamaño que la anterior, también limitada por una pared metálica.
  • • Una cubierta de litio.
  • • Unas penetraciones para facilitar el paso de la luz procedente de un láser, o las partículas de un haz de iones.
  • • La protección contra las radiaciones.

(Véase también la cuestión 56)

113. ¿Qué es una central solar?

Es aquella instalación en la que se aprovecha la radiación solar para producir energía eléctrica. Este proceso puede realizarse mediante la utilización de un proceso fototérmico, o de un proceso fotovoltaico.

En las centrales solares que emplean el proceso fototérmico, el calor de la radiación solar calienta un fluido y produce vapor que se dirige hacia la turbina produciendo luego energía eléctrica. El proceso de captación y concentración de la radiación solar se efectúa en unos dispositivos llamados heliostatos, que actúan automáticamente para seguir la variación de la orientación del Sol respecto a la Tierra.

Existen diversos tipos de centrales solares de tipo térmico, pero las más comunes son las de tipo torre, con un número grande de heliostatos que reflejen la luz solar hacia un depósito que contiene un líquido. Para una central tipo de solo 10 MWe, la superficie ocupada por los heliostatos es de 20 ha.

Las centrales solares que emplean el proceso fotovoltaico hacen incidir la radiación solar sobre una superficie de un cristal de semiconductor, llamada célula solar, y producir en forma directa una corriente eléctrica por efecto fotovoltaico. Este tipo de centrales se están instalando en países donde el transporte de energía eléctrica se debería realizar desde mucha distancia, y hasta ahora su empleo es básicamente para iluminación y algunas aplicaciones domésticas.

114. ¿Qué es una central eólica?

Es una instalación en donde la energía cinética del aire al moverse se puede transformar en energía mecánica de rotación. Para ello se instala una torre en cuya parte superior existe un rotor con múltiples palas, orientadas en la dirección del viento. Las palas o hélices giran alrededor de un eje horizontal que actúa sobre un generador de electricidad.

A pesar de que aproximadamente un 1% de la energía solar que recibe la Tierra se transforma en movimiento atmosférico, esta energía no se distribuye uniformemente, lo que limita su aprovechamiento.

Existen además limitaciones tecnológicas para superar potencias de un megavatio. Su funcionamiento está limitado a un rango de velocidades del viento y un parque eólico demanda extensiones de terreno grandes. Además, el número de horas que una central eólica está disponible para producir energía eléctrica está en el orden de entre el 20% y el 30% de las horas del año en España, valor bajo si se compara con los de las centrales térmicas y nucleares que consiguen cifras hasta del 93%. Otro aspecto que limita su importancia es que, debido a la intermitencia del viento, no garantiza potencias para abastecimiento de puntas de demanda.

115. ¿Qué vida tienen las centrales eléctricas?

La vida de las centrales eléctricas depende por una parte de la competitividad económica de su explotación en la situación específica del mercado y por otra parte de la posibilidad del mantenimiento técnico de todos sus componentes. Este mantenimiento se refiere más bien a los grandes equipos, por ejemplo la caldera en el caso de las centrales termoeléctricas, y al embalse en las hidroeléctricas que por su coste de sustitución o por las modificaciones técnicas necesarias pueden recomendar el final de vida de la instalación.

La vida útil desde el punto de vista económico de una central es de unos treinta años por término medio para las centrales térmicas, y de algo más para las hidráulicas y así se recoge en sus plazos de amortización. Sin embargo, si se realiza un adecuado programa de mantenimiento y los grandes equipos no precisan sustitución, esa vida se puede alargar.

Además, la central debe realizar un programa de inversiones que eviten su obsolescencia. Las centrales deben ser operativas en el entorno tecnológico existente y para ello deben realizar un proceso de actualización continua pues la innovación tecnológica deja obsoletos sistemas, equipos y componentes de forma que los costes y características de su operación la hagan inadecuada. También deben mantener un proceso de inspecciones periódicas de máximo detalle en sus áreas y componentes críticos.

En este sentido, en la industria nuclear se ha puesto en marcha el concepto de alargamiento de la vida, que mediante un mantenimiento sistemático y debidamente realizado, va a permitir a las centrales nucleares funcionar unos veinte años más de la vida esperada hasta ahora. Este plan también se ha trasladado a las centrales termoeléctricas de carbón.

116. ¿Qué es un reactor nuclear asistido por acelerador?

En los últimos años se han desarrollado aceleradores que permiten, con altas corrientes, acelerar partículas con una alta energía. Es posible usar corrientes de algunos mA en la aceleración de protones hasta varios GeV que, al interaccionar con un material pesado, como por ejemplo plomo, producen neutrones de alta energía mediante reacciones de espalación. Durante la década de los ochenta se iniciaron varios proyectos como el ATW en Estados Unidos, y OMEGA en Japón, con el fin de obtener altos flujos neutrónicos, superiores hasta los ahora obtenidos en los reactores térmicos y en los rápidos. El objetivo de estos proyectos es producir energía eléctrica y transmutar residuos de alta actividad.

Actualmente, los trabajos más desarrollados son los de Estados Unidos, Japón, Francia y la Unión Europea, destacando el concepto de amplificador de energía propuesto por el premio Nobel Carlo Rubbia, que en este momento puede considerarse como la base fundamental sobre el que se soportan el resto de los diseños. Este concepto, además de su uso como transmutador, permite la producción de energía, usando el ciclo del torio y plomo como refrigerante.

Cualquiera de los conceptos antes mencionados constan de dos elementos fundamentales:

  • • Un acelerador lineal de protones.
  • • Un sistema subcrítico quemador formado por plomo líquido que produce y utiliza el flujo de neutrones procedente de un acelerador que lleva los protones a producir reacciones de espalación con el plomo.

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117. ¿Cuáles son los nuevos modelos de reactores nucleares?

La investigación actual en reactores nucleares denomina "reactores avanzados" a los nuevos diseños que surgen de recoger la experiencia de operación del parque mundial, la cual supera, ya, los 11.000 añosreactor. Esta cifra es la suma de los años de operación de cada uno de los reactores existentes.

Hasta la fecha se han distinguido dos épocas en el diseño de reactores a las que se han llamado generaciones. Así, la primera generación abarca la fase de comienzo comercial de esta tecnología con reactores de potencias inferiores a los 500 MW hasta mediados los años 60 del pasado siglo. La segunda generación transcurre hasta concluir ese siglo y en ella se construye el actual parque nuclear con aproximadamente 440 reactores y potencias que alcanzan los 1.400 MW.

En la tercera generación que cubre los últimos años se han mejorado los anteriores diseños con las soluciones definidas a partir de la experiencia operativa. Por esta razón se les denomina evolutivos. En este sentido se ha mejorado la economía de su construcción con sistemas modulares y la simplificación de los sistemas con una optimización en el número de equipos y soldaduras, se ha avanzado aún más en los sistemas de seguridad operativa y en la prevención y mitigación de accidentes catastróficos. A estas mejoras corresponden los modelos denominados "avanzados" de Westinghouse, AP-600 y 1000; de General Electric, ABWR 1000 y ESBWR y el europeo EPR y se pueden incluir en el término de reactores evolutivos.

En lo que se refiere a la operación, se reducen los residuos generados y la dosis del personal de mantenimiento, al optimizarse este proceso y se mejora la seguridad con sistemas pasivos de refrigeración de emergencia que actúan por diferencia de presiones y no con componentes activos. Además, se economiza en los procesos de quemado de combustible con ciclos más largos y mejores quemados.

Además en esta nueva generación de reactores se ha hecho un esfuerzo para simplificar el licenciamiento de forma que se reduzcan los tiempos de espera administrativos mediante la estandarización de diseños y la disminución de los plazos de construcción.

Como antes se ha citado, en el grupo de reactores avanzados se incorporan los diseños pasivos, que incorporan innovaciones relacionadas con sistemas de seguridad basados en circulación natural para refrigeración y en la gravedad para sistemas de fluidos de emergencia. Este concepto se caracteriza por su menor complejidad, lo cual facilita su manejo, y porque reduce aún más el posible error humano.

Por último está la denominada IV Generación con un horizonte establecido en 2030. Los aspectos que son objeto de investigación son: la refrigeración con metales líquidos, el trabajo con altas temperaturas de 900 ºC, uso del torio como combustible, mejora de la obtención de energía del uranio y plutonio, desarrollo de reactores reproductores que multiplican los recursos de uranio por 50, etc.

Dos iniciativas se han desarrollado con este fin.

  • • La Generación IV, nacida en 2000 por impulso de los Estados Unidos y que agrupa a grupos privados industriales y gubernamentales y en la que participan: Argentina, Brasil, Canadá, Francia, Japón, Corea, Sudáfrica, Suiza y Gran Bretaña. Estos trabajos han concretado seis sistemas de reactores como objeto de investigación: refrigeración por sodio, de alta temperatura, refrigerados por agua supercríticos, reproductores refrigerados por plomo, por gas y por sales fundidas.
  • • La iniciativa INPRO es una colaboración internacional surgida en el OIEA en 2001 que busca un reactor con mejoras en la seguridad, sostenibilidad, economía y medidas contra la proliferación. Participan en este empeño la UE como ente, Argentina, Canadá, China, Alemania, India, Holanda, Rusia, España, Suiza y Turquía.

 

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