Centrales Nucleares: Fisión, Fusión, Funcionamiento y Seguridad

Centrales Nucleares: Partes y Funcionamiento

Una central nuclear es una instalación donde se produce energía eléctrica a partir de la fisión nuclear de los átomos de un determinado elemento (uranio, radio o plutonio). El funcionamiento es similar al de una central térmica; la principal diferencia radica en que, en una central nuclear, el agua se calienta mediante la energía calorífica producida durante la fisión nuclear en el reactor.

Funcionamiento Básico

• Reactor: En el reactor se produce la fisión de los átomos (de plutonio, uranio o radio), liberando una gran cantidad de energía calorífica. Esta energía evapora el agua contenida en numerosas tuberías que rodean la caldera.
• Generación de Electricidad: El vapor de agua generado adquiere una alta presión y se utiliza para mover una turbina conectada a un generador eléctrico. Al girar la turbina, se produce la electricidad.
• Sistema de Refrigeración: Paralelamente, opera el sistema de refrigeración, que condensa el vapor y permite reiniciar el ciclo del agua.

Partes Principales de una Central Nuclear (Fisión)

• Reactor
• Turbinas
• Generador
• Condensador
• Torres de refrigeración

Características de las Centrales Nucleares de Fusión

Conceptos Básicos de Fusión Nuclear

La fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos núcleos de átomos ligeros, generalmente el hidrógeno y sus isótopos (deuterio y tritio), se unen para formar otro núcleo más pesado, liberando una gran cantidad de energía. Para lograr la fusión, se deben cumplir los siguientes requisitos:

• Temperatura muy elevada: Necesaria para separar los electrones del núcleo y crear un plasma.
• Confinamiento: Imprescindible para mantener el plasma a elevada temperatura durante suficiente tiempo.
• Densidad del plasma suficiente: Para que los núcleos estén lo bastante cerca unos de otros como para fusionarse.

Métodos de Confinamiento en Desarrollo

Actualmente, se investigan principalmente dos métodos de confinamiento:

• Fusión Nuclear por Confinamiento Inercial (FCI): Consiste en crear un medio tan denso que las partículas no tengan casi ninguna posibilidad de escapar sin chocar entre sí, comprimiendo una pequeña esfera de combustible mediante láseres o haces de partículas.
• Fusión Nuclear por Confinamiento Magnético (FCM): Las partículas eléctricamente cargadas del plasma son atrapadas en un espacio reducido por la acción de un campo magnético (como en los dispositivos Tokamak o Stellarator).

Características de las Centrales Nucleares de Fisión

La fisión nuclear es la división del núcleo de un átomo pesado. El núcleo se divide en diversos fragmentos (productos de fisión) con una masa total ligeramente inferior a la masa original, además de liberar dos o tres neutrones. Esta diferencia de masa se convierte en energía según la ecuación de Einstein (E=mc²). La fisión nuclear puede ser inducida (cuando un núcleo captura un neutrón) u ocurrir espontáneamente.

Reacciones Nucleares en Cadena

Una reacción nuclear en cadena es un proceso en el que los neutrones liberados en una fisión inicial inducen fisiones adicionales en al menos otro núcleo. Este núcleo, a su vez, libera neutrones, y el proceso se repite. Este proceso puede ser:

• Controlado: Utilizado para generar energía nuclear en reactores.
• Incontrolado: Base de las armas nucleares.

Fisión Nuclear Controlada

Para mantener una reacción nuclear controlada y sostenida, de los 2 o 3 neutrones liberados en cada fisión, en promedio, solo uno debe inducir otra fisión en un núcleo de uranio (o el combustible utilizado). El exceso de neutrones se absorbe mediante barras de control.

Fisión Nuclear Espontánea

La fisión nuclear espontánea ocurre sin intervención externa. La tasa de fisión espontánea es la probabilidad por segundo de que un núcleo atómico determinado se fisione por sí mismo.

Seguridad en las Centrales Nucleares (Defensa en Profundidad)

La seguridad nuclear se basa en el principio de defensa en profundidad, que establece múltiples niveles de protección:

• Primer Nivel: Prevención de desviaciones respecto al funcionamiento normal mediante diseño de alta calidad, construcción y operación rigurosas.
• Segundo Nivel: Detección e interrupción de desviaciones respecto a las condiciones normales de funcionamiento mediante sistemas de control y protección.
• Tercer Nivel: Control de accidentes. Se incorporan equipos y procedimientos adicionales para controlar las condiciones de accidente, evitando daños al núcleo del reactor y la liberación de material radiactivo al medio ambiente, incluso si fallan los niveles anteriores.

Medidas Adicionales de Protección

Más allá de estos niveles, existen otros factores que contribuyen a la protección:

• Incorporación de elementos complementarios específicos para mitigar las consecuencias de sucesos de muy baja probabilidad (accidentes severos).
• Aplicación de planes de emergencia exteriores, incluyendo distintas medidas de protección para la población.

Objetivos Clave de Seguridad

El objetivo primordial en el diseño y operación de una central nuclear es asegurar el confinamiento de todas las radiaciones e isótopos radiactivos (principalmente productos de fisión) dentro de barreras físicas.

Otro objetivo crucial es que los vertidos de efluentes radiactivos al medio ambiente estén bajo estricto control, asegurando que las cantidades vertidas se midan y se mantengan dentro de límites aceptables y regulados.

Control de Radiación y Materiales Radiactivos

• Blindajes: La emisión de radiación hacia el exterior se controla mediante el uso de blindajes (hormigón, plomo, agua) con espesor suficiente para absorberla.
• Barreras de Seguridad Múltiples: El escape de materiales radiactivos se previene mediante un sistema de barreras sucesivas:
  1. La propia matriz cerámica del combustible y la vaina metálica que envuelve las pastillas combustibles.
  2. La vasija del reactor y el circuito primario de refrigeración (barrera de presión).
  3. El edificio de contención que rodea al reactor y al circuito primario.