Cómo funciona una central nuclear de fisión (explicación fácil)

Hasta hace unas décadas, obteníamos la mayoría de la energía del petróleo, el carbón y el gas pero, tras la Segunda Guerra Mundial, los entendidos pensaron que había de encontrarse otra forma de obtenerla para no depender tanto de las centrales petrolíferas y las refinerías de gas. La idea que tuvieron fue crear nuevas estaciones de dónde obtener electricidad usando combustibles como el uranio o el plutonio: las centrales nucleares. Sin embargo, los proyectos eran muy complejos y muy costosos, por lo que no fue desarrollado a nivel global.

A inicios de los años 70, con la crisis del petróleo de Oriente Medio, aumentó la necesidad de crear reactores nucleares en distintas partes del mundo para proveerse de energía ante la escasez de otras materias. En este punto, los inversores y los gobiernos apoyaron la iniciativa y, entre los años 70 y 80 surgieron numerosas centrales nucleares. 

Por lo tanto, una central nuclear es una instalación industrial que genera electricidad a partir de la energía nuclear. 

¿Quieres conocer cómo se realiza este proceso? Te contamos cómo obtenemos energía eléctrica a partir de un combustible como el uranio o el plutonio. Así es como funciona una central nuclear. 

¿Por qué se utiliza uranio en las centrales nucleares?

En las centrales nucleares se utiliza una materia radiactiva, como el uranio o el plutonio, porque los núcleos de sus átomos pueden ser rotos en diversos trozos mediante la acción de los neutrones que ellos mismos emiten de forma espontánea. Esta es la razón por la que estas materias pueden servir de combustible nuclear. A esto se le llama fisión nuclear.

Durante el transcurso de la fisión, es decir, durante la división de un núcleo en núcleos más livianos, son emitidos a su vez otros neutrones que provocan nuevas rupturas de núcleos con una nueva liberación de neutrones, y así sucesivamente.

De esta forma, se puede mantener una cascada indefinida, una reacción en cadena que produce calor, este es utilizable como energia para alimentar la central.

Cómo es una central nuclear de fisión

Una central nuclear tiene varios edificios:

• El edificio de contención: en él se encuentra el reactor con el combustible (uranio o plutonio).
• La sala de turbinas: donde se transforma la energía mecánica en energía eléctrica.
• La torre de refrigeración: por donde se libera el vapor de agua.

Las centrales nucleares suelen estar construidas junto al mar, pantanos, un río o un lago para aprovechar el agua y poder llevar a cabo su función.

Un reactor nuclear consta de: 

• Combustible: generalmente uranio o plutonio.
• Moderador: agua, agua pesada, grafito o sodio que frentan la velocidad de los neutrones producidos por la fisión. 
• Refrigerante: agua, agua pesada, helio o sodio metálico que conduce el calor hasta la turbina generadora de energía eléctrica.
• Reflector: agua, agua pesada, grafito o uranio para reducir el escape de neutrones.
• Blindaje a base de hormigón, plomo y acero para evitar la fuga de rayos gamma y neutrones.
• Material de control: como cadmio o boro, para que la reacción en cadena cese.
• Elementos de seguridad: sistemas activos o pasivos para evitar que se produzcan accidentes y, si se producen, para que no haya una liberación de radioactividad al exterior, como ocurrió en Chernobyl en 1986. 

Cómo funciona una central nuclear

En general, una central nuclear es similar a una central térmica, sin embargo, en la central nuclear el calor no se produce por la combustión de carbón, fuel, oil o gas, sino por las reacciones de fisión que ocurren dentro de un reactor nuclear.

Simplificando las cosas hasta su extremo podría decir que un reactor nuclear funciona como una olla a presión: se calienta agua provocando una reacción en cadena de forma artificial. Es decir, mediante la utilización de uranio o plutonio como combustible, para conseguir vapor de agua, se mueve una turbina que está conectada a un generador eléctrico. Esto sucede de esta manera: 

1. En muchas centrales, los reactores contienen canales verticales en los que se alojan los elementos combustibles. Como elemento combustible, los reactores emplean uranio natural y uranio enriquecido, aunque también se utiliza el plutonio como combustible nuclear. Para ello se produce una reacción conocida como fisión nuclear: una reacción mediante la cual se parte el núcleo de un átomo. Esto produce una gran cantidad de energía. 

2. En los canales verticales, circula gas carbónico que evacua el calor producido. Hay que tener en cuenta que el conjunto del reactor está alojado en un depósito de presión que mantiene el gas a una presión elevada.

3. En el recipiente, que constituye la olla, se introduce el combustible, es decir, el uranio. Además, hay que introducir un cuerpo moderador, como el agua, ya que para que los neutrones producidos durante la fisión se muestren eficaces es necesario frenar su velocidad. El agua se toma un río, un embalse o el mar.

3. El gas es puesto en movimiento por unos ventiladores y, al salir del depósito, pasa a unos cambiadores. Aquí, el gas carbónico cede su calor al agua y esta se calienta y convierte en vapor. La central nuclear por lo tanto, tiene un importante circuito de refrigeración para evacuar el calor desprendido (como lo tiene una olla a presión), lo que permite recuperarlo para ser utilizado en los turboalternadores.

4. El vapor producido alimenta unos turboalternadores (un conjunto formado por un alternador eléctrico y la turbina que lo mueve). Las aspas de la turbina giran por la acción del vapor y mueven el generador que transforma la energía mecánica en electricidad. 

5. Finalmente, para protegerse de la intensa radiactividad que sucede dentro de esta enorme olla a presión, es necesario aislarla con una coraza de hormigón armado y acero.

¿Cuánta energía útil puede obtenerse de una central nuclear?

Si se desintegraran todos los átomos de un kilogramo de uranio 235 se obtiene casi tanta energía como en la combustión de 3.000.000 de kilogramos de carbón o, en términos de electricidad, 24.000.000 kilovatios a la hora.

Sin embargo, en la práctica, la energía aprovechable es mucho menor. Esto se debe principalmente a las pérdidas que ocasiona el repetido tratamiento del combustible: la reacción en cadena cesa después de cierto tiempo debido a que los productos de la fisión absorben gran parte de los neutrones libres. El combustible no utilizado debe separarse, por lo tanto, de este material impuro.

Qué tipos de reactores nucleares existen

Los tipos de reactores nucleares más frecuentes son: 

• Reactor de agua a presión (PWR)

• Reactor de agua en ebullición (BWR)

• Reactor de uranio natural, gas y grafito (GCR)

• Reactor avanzado de gas (AGR)

• Reactor refrigerado por gas a temperatura elevada (HTGCR)

• Reactor nuclear de agua pesada (HWR)

• Reactor reproductor rápido (FBR)

Las centrales nucleares en España

En diciembre de 1968 fue inaugurada oficialmente la primera central nuclear española en Almonacid de Zurita (Guadalajara).

Según datos del Ministerio, en España se encuentran en funcionamiento 5 centrales nucleares, todas ellas iniciaron su explotación en los años 80. Dos de las centrales disponen de 2 reactores cada una (Almaraz y Ascó), por lo que suman 7 reactores de agua ligera, con una potencia eléctrica instalada de 7.398,77 Megavatios (MW):

• Almaraz I, en Cáceres de tipo PWR que produce 1.049,40 mv.
• Almaraz II, en Cáceres, de tipo PWR, que produce 1.044,50 mv.
• Ascó, en Tarragona, de tipo , que produce 1.032,50 mv.
• Ascó II, en Tarragona, de tipo , que produce 1.027,21 mv.
• Cofrentes, en Valencia, de tipo BWR, que produce 1.092,02 mv.
• Vandellós II, en Tarragona, de tipo PWR, que produce 1.087,14 mv.
• Trillo, en Guadalajara, de tipo PWR, que produce 1.066,00.

¿De dónde sale el uranio necesario para el funcionamiento de una central nuclear?

El uranio necesario para el funcionamiento de las centrales lo suministran principalmente las minas. El conjunto de operaciones que van desde la extracción del mineral de uranio en la mina hasta su carga como combustible en la central se denomina "primera parte del ciclo de combustible nuclear". Los procesos que abarca son: 

• Minería y fabricación de concentrados de uranio.
• Conversión a hexafluoruro de uranio.
• Enriquecimiento en el isótopo U235 hasta una concentración del 4-5%.
• Fabricación de elementos combustibles.

En España, la compañía ENUSA (Empresa Nacional del Uranio)  Industrias Avanzadas, S.A. lleva a cabo la cuarta etapa, mientras que las otras tres se contratan en el exterior en su totalidad.

El 27% de las minas de uranio del mundo se encuentran en Australia, el 14% en Kazajstán, el 13% en Canadá y el 7% en Sudáfrica. En Europa, solamente están localizadas el 1,2% de las reservas totales mundiales.

Explicación corta: Cómo funciona una central nuclear

1. El agua entra poco a poco en el núcleo del reactor, aquí se calienta gracias a una reacción de fisión del combustible que se usa, generalmente uranio.

2. La reacción de fisión hace aumentar la temperatura y la presión del agua. 

3. El agua pasa de estado líquido a gaseoso y se convierte en vapor de agua.

4. El vapor de agua es impulsado hacia las turbinas haciendo que se mueven a gran velocidad convirtiendo la energía mecánica en energía eléctrica. 

5. Finalmente, el vapor de agua se enfría en la torre de enfriamiento que libera vapor de agua, es ese humo blanco que vemos cuando pasamos cerca de una central nuclear.