¿Cómo funciona una central nuclear?

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Hoy adaptamos el hilo «Derribando mitos sobre la energía nuclear» de OPERADOR NUCLEAR:

En un hilo, para el que no se requieren conocimientos previos, explicaré cómo se genera energía eléctrica a partir de la fisión del átomo. Utilizaré como referencia un reactor de agua ligera a presión (PWR), el más extendido en el mundo.

Una central nuclear es una instalación muy compleja donde intervienen múltiples mecanismos físicos y químicos. Realizaré una descripción general para conocer a grandes rasgos el funcionamiento normal, quedando para otros hilos los detalles y el funcionamiento en emergencia.
Una central PWR tiene 3 circuitos hidráulicos principales. El primario extrae la energía calorífica del reactor. El secundario refrigera el primario formando vapor, que mueve una turbina antes de reutilizarse. El terciario refrigera el secundario y proviene de un río, mar o lago.

El circuito primario es radiactivo (fisiones de trazas de polvo de uranio, difusión del tritio, productos de activación, etc.) pero es un circuito cerrado que no entra en contacto con el secundario, que contiene agua limpia y también es cerrado. El terciario es abierto.
El circuito primario está formado por la vasija del reactor (1), generadores de vapor (2), bombas del refrigerante del reactor (3) y un presionador (4). Lo habitual es disponer de 3 ó 4 lazos iguales: una sola vasija y un solo presionador, pero varios generadores y bombas.

El circuito secundario está formado por los generadores de vapor (2), que también forman parte del primario, turbinas (5), recalentadores y separadores de humedad (6), generador o alternador (7) y condensador (8). Más adelante explicaré cómo funciona cada uno de estos equipos.

Utilizaré como referencia un diagrama de corte de Vandellós 2, el más claro disponible de una central española, realizado en 1986 por Gerardo Peña (de @WECNuclear) para la revista @neimagazine con la colaboración de @Initec_Energia. En PDF: https://econtent.unm.edu/digital/collection/nuceng/id/88

En los diagramas parciales siguientes aparecerán los equipos principales junto con parte de los equipos auxiliares. Citaré los más significativos para comprender el funcionamiento de la central en operación normal, pero podéis preguntar por el resto o pedir cualquier aclaración.
Los edificios más importantes de una central nuclear son el de contención (A), combustible (B), penetraciones (C), turbinas (D), refrigeración de componentes (E), auxiliar (E), control (G) y generadores diésel (H).

Dentro del edificio de contención (A) se encuentran todos los equipos del circuito primario, así como parte de sus sistemas auxiliares y parte de los equipos de emergencia frente a un posible accidente.

En el reactor nuclear (1) se produce una reacción de fisión nuclear en cadena que emite una gran cantidad de calor. Más información sobre ese mecanismo físico en este hilo:


El circuito primario contiene agua desmineralizada, que entra en el reactor a 292ºC y se calienta hasta 326ºC. Se mantiene líquida porque está a 157 kg/cm² de presión. Al salir del reactor va hacia los generadores de vapor (2), donde se enfría al pasar por unos tubos.

Al mismo tiempo que el agua del primario se refrigera, cede calor al agua del secundario, que se convierte en vapor y se utiliza para mover la turbina. Tras enfriarse hasta los 292ºC, el agua del primario es impulsada por las bombas del refrigerante (3) de nuevo hacia el reactor.
Esta circulación forzada de agua en el circuito primario se produce simultáneamente en los tres lazos, de forma que la vasija (1) tiene tres toberas de salida y tres toberas de entrada.

Por la disposición física de los equipos del circuito primario, si se garantiza que los generadores de vapor son refrigerados, el reactor parado con barras de control insertadas puede ser refrigerado sin necesidad de bombas del refrigerante, lo que llamamos circulación natural.
El presionador (4) mantiene estable la presión del primario. La mitad inferior es agua y la superior es vapor. Para aumentar la presión unas resistencias eléctricas calientan la parte agua y para disminuirla unas duchas rocían agua a menor temperatura en la parte de vapor.

En el edificio de contención (A) también se encuentra la grúa polar (13), utilizada para mover la tapa de la vasija del reactor y cualquier equipo pesado en las paradas de recarga. La grúa manipuladora de combustible (9) sirve para extraer e insertar el combustible en el núcleo.

Las tres líneas de vapor (63) procedentes los 3 generadores de vapor (2) atraviesan el edificio de contención en lo que llamamos penetraciones. Cada línea dispone de cinco válvulas de seguridad con muelle (62), una válvula de alivio controlada y una válvula de aislamiento (64).

Las tres líneas de vapor se unen en un colector que lleva el fluido a las turbinas. Vandellós 2 tiene una turbina de alta presión (83), a la que le llega el vapor directamente, y tres turbinas de baja presión (84), a las que le llega el vapor tras ser recalentado y secado (87).

Las cuatro turbinas unidas forman un conjunto que gira a 1500 revoluciones por minuto y que a su vez está acoplado al generador de corriente alterna o alternador (85), que necesita una corriente de excitación proporcionada por su excitatriz (86).

En las plantas inferiores del edificio de turbinas (D) se encuentra el condensador (no mostrado), que al ser refrigerado por el circuito terciario condensa el vapor formando agua, que unas bombas llamadas de condensado se encargan de hacer pasar por una serie de calentadores.
Estos calentadores (no mostrados) se alimentan de pequeñas líneas de vapor que se extraen de las turbinas. Tras pasar esos calentadores, dos turbobombas impulsadas por vapor principal (no dibujadas) inyectan el agua ya precalentada de nuevo hacia los generadores de vapor (2).

El alternador (85) es trifásico (3 líneas de salida). Cada fase se dirige a un transformador (89) que aumenta la tensión desde los 21 kV hasta los 400 kV necesarios para transportar la electricidad. Estos transformadores se conectan con el parque de distribución de la central.

La central se autoabastece eléctricamente cuanto está en funcionamiento mediante un transformador auxiliar (98). Además dispone de otros dos transformadores (99, 96) que pueden alimentar a todos los servicios auxiliares desde el exterior con la central parada o en emergencia.

Los sistemas de seguridad de la central están duplicados y disponen de alimentación eléctrica tanto interior como exterior, además de dos generadores diésel totalmente independientes y autónomos, cada uno formado por un alternador (74) movido por dos motores gemelos (73).

En el edificio de control (G) se encuentran todos los equipos necesarios para la operación a distancia del reactor y de sus sistemas auxiliares en situación normal y en emergencia, destacando la Sala de Control (50), lugar donde trabajamos los operadores y supervisores.

La tripulación de una sala de control está formada por un Operador de Reactor, que opera el reactor, sus sistemas auxiliares y de seguridad; un Operador de Turbina, que opera la parte convencional; un Jefe de Sala de Control y un Jefe de Turno, ambos con licencia de Supervisor.
Los Operadores y sus Auxiliares trabajan a turno cerrado (mañana/tarde/noche), igual que bomberos, seguridad física, protección radiológica y laboratorio químico. El resto (dirección, administración, mantenimiento, ingeniería…) trabaja durante el día, salvo necesidad.
El área de Sala de Control (50) incluye armarios con equipamiento electrónico (51) y un área de supervivencia (52), con aseos y cocina con agua y alimentos para un prolongado aislamiento. La sala de control dispone de su propio sistema de aire acondicionado y filtrado.

Se dispone de una sala de control alternativa (68), que permite la parada segura del reactor en caso de indisponibilidad de la principal, y que contiene los indicadores más importantes junto con los procedimientos necesarios.

Referencias: [1] The Westinghouse pressurized water reactor nuclear power plant. Westinghouse Electric Corporation, 1984.