Fundamentos de Ingeniería Energética: Componentes de Reactores y Turbinas Hidráulicas

Bomba de Chorro

Una bomba de chorro: Un fluido a presión se inyecta a través de un orificio estrecho, creando una zona de baja presión que aspira otro fluido, mezclándose y permitiendo así su transporte sin necesidad de componentes móviles. Se sitúan en los sistemas de drenaje y recirculación del sumidero del recinto de contención, formando parte del sistema de seguridad para la evacuación de agua contaminada. Se utilizan en BWR (Reactores de Agua en Ebullición), donde se requiere una gestión cuidadosa del agua radiactiva.

Sistemas Auxiliares

Los sistemas auxiliares no intervienen directamente en el proceso de transformación de energía. Los más importantes son:

• Sistema de Control Químico y Volumétrico: Es uno de los sistemas auxiliares del primario que permite una operación correcta y segura del mismo.
• Sistema de Aportación de Ácido Bórico: Tiene por misión procesar y reciclar agua borada y reducir el contenido de los efluentes químicos y productos radiactivos.
• Sistema de Extracción de Calor Residual: Este sistema consiste en dos trenes iguales y paralelos que aspiran normalmente agua de la rama caliente del sistema de refrigeración del reactor y la descargan en las ramas frías. Se emplea para evacuar el calor que se desprende del combustible tras la parada del reactor.

Reactor de Agua a Presión (PWR)

En un PWR, el agua actúa como refrigerante y moderador. Circula a alta presión para evitar que hierva. El circuito primario lleva el calor del núcleo al generador de vapor, donde transfiere su energía al circuito secundario sin mezcla de fluidos. El vapor generado mueve una turbina conectada al generador eléctrico.

Elementos y Funciones del PWR:

• Núcleo del Reactor: Contiene el combustible nuclear donde se produce la fisión.
• Vasija del Reactor:
• Presurizador: Mantiene la presión en el circuito primario, evitando la ebullición del refrigerante.
• Generador de Vapor:
• Turbina: Transforma energía térmica en mecánica.
• Generador Eléctrico:
• Condensador: Condensa el vapor después de la turbina.
• Bombas Primarias:

Alabe Portante

El álabe portante se ha diseñado aplicando la teoría hidrodinámica del ala portante, que explica cómo un flujo de aire al pasar sobre un cuerpo perfilado genera diferencias de presión entre la parte superior e inferior del mismo. Cuando el aire fluye alrededor del tablero (como un ala), se divide en dos trayectorias: una por encima del perfil y otra por debajo. Según el principio de Bernoulli, la velocidad del aire es mayor por la parte superior, lo que implica una presión menor en esa zona. En cambio, la velocidad por la parte inferior es menor y la presión mayor, lo que genera una fuerza de sustentación vertical hacia arriba. Sin embargo, en una estructura como este viaducto, dicha sustentación puede ser peligrosa, ya que podría provocar una elevación del tablero que comprimiría los tirantes del puente atirantado, diseñados para trabajar únicamente en tracción. Para evitarlo, el perfil del tablero se ha diseñado de forma que la resultante aerodinámica no supere las fuerzas gravitatorias y estructurales hacia abajo. Es decir, la forma del perfil limita la sustentación para mantener los esfuerzos en los cables dentro del régimen de tracción y evitar inestabilidades estructurales.

Presurizador

El presurizador es un componente del circuito primario en una central PWR. Sus principales funciones son:

• Control de Presión: Durante el arranque, calienta el agua mediante resistencias para alcanzar la presión operativa (157 kg/cm²). En operación estable, regula la presión manteniendo el equilibrio líquido-vapor mediante calentadores (aumentan presión) y rociadores (reducen presión).
• Amortiguación de Variaciones: Absorbe las expansiones y contracciones del refrigerante debido a cambios de carga, estabilizando la presión.
• Protección contra Sobrepresión: Limita la presión del sistema, liberando vapor si esta supera los valores de diseño.
• Diagramas Termodinámicos:
  • P-V: Mantiene el sistema en la región de saturación, ajustando el volumen de líquido y vapor.
  • T-S: Opera cerca del punto crítico, controlando temperatura y presión con mínimos cambios en entropía.
• Único Presurizador: Su diseño asegura el control centralizado y eficiente de la presión, eliminando la necesidad de múltiples unidades en el sistema primario.

Bombas del Refrigerante del Reactor

Reactor de Agua en Ebullición (BWR)

Un BWR es un sistema generador de vapor consistente en un núcleo y en una estructura interna ensamblados dentro de un recipiente a presión (vasija), en sistemas auxiliares para satisfacer los requisitos operacionales y de seguridad del reactor nuclear, y en la instrumentación y control necesarios. El combustible es dióxido de uranio cerámico ligeramente enriquecido (2-4%). Utilizan agua ligera como refrigerante y moderador, pero se permite la ebullición en la propia vasija. La presión de operación es de unos 70 kg/cm². La presión y temperatura del vapor son similares en toda la vasija. La eliminación de un circuito intermedio simplifica el diseño de la parte convencional (vapor conducido directamente a turbina-condensador). También la formación de huecos en caso de una excursión de potencia confiere a este reactor una importante característica de seguridad intrínseca, aunque aparecen otros problemas asociados a inestabilidades acopladas neutrónicas y termohidráulicas.

Generador de Vapor

El generador de vapor se utiliza para intercambiar calor. Se instala en las centrales nucleares con reactor a presión (PWR). El agua del circuito primario que proviene de la vasija del reactor llega a la caja de aguas y recorre el interior del haz tubular, cediendo su calor al agua del sistema de alimentación que circula por el lado secundario del generador de vapor, convirtiéndola en vapor. Las funciones que cumplen los generadores de vapor son:

• Producir vapor saturado con un contenido de humedad inferior al 0,25%.
• Constituir el foco frío del sistema primario.
• Establecer la barrera de separación entre el primario y el secundario.

Turbina Ossberger (Flujo Cruzado)

La tubería forzada concluye en un inyector más o menos troncocónico de sección rectangular con una válvula similar a la de mariposa con perfil aerodinámico. Mediante esta se posibilita la actuación sobre una u otra parte del perfil, y con ella la regulación del caudal a un tercio, dos tercios o los tres tercios del caudal normal. Por otra parte, el perfil puede girar sobre su eje para obtener una regulación más fina del caudal. El rodete está formado por una serie de álabes dispuestos en la periferia de un círculo, unidos mediante dos discos laterales. El agua procedente del inyector incide puntualmente sobre unos álabes del rodete, atravesándolos de manera centrípeta y penetrando en la parte central del mismo, para después incidir de nuevo sobre otros álabes y atravesarlos, esta vez de manera centrífuga, yendo a parar el agua posteriormente al canal de desagüe (es decir, el fluido atraviesa los álabes de forma diagonal). El agua fluye primero por el exterior de la turbina hacia el interior. El distribuidor conforma un vano que varía la sección de paso. De ahí pasa a toberas que aceleran el flujo, haciéndolo incidir sobre el rotor con un ángulo de 45/120 grados para que transmita la energía cinética a los álabes. La utilización de este tipo de turbinas se reduce a potencias reducidas, con caudales y alturas pequeñas (y bajas velocidades), siendo por su simplicidad útil para microcentrales. Son económicas por su sencillez.

Ciclo Rankine

El ciclo Rankine se trata de máquinas térmicas del tipo de turbinas de vapor y pertenece al ciclo de Rankine.

1. Proceso 1-2: Expansión isoentrópica del fluido en la turbina desde la presión de la caldera hasta la presión del condensador.
2. Proceso 2-3: Transmisión de calor a presión constante desde el fluido de trabajo hacia el circuito de refrigeración.
3. Proceso 3-4: Compresión isoentrópica del fluido de trabajo en fase líquida mediante una bomba.
4. Proceso 4-1: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera.

Ciclo Brayton

El ciclo Brayton consta de una turbina de gas, un compresor de aire y una cámara de combustión. Se trata de inyectar el aire al compresor de aire, donde se comprime el aire. Luego, el aire comprimido pasa a la cámara de combustión, donde se mezcla con el gas y se le suministra calor. Tras la combustión, la mezcla se dirige a la turbina de gas, donde se expande. Este ciclo es un ciclo abierto, pero se puede representar como cerrado, como se muestra en la figura, donde también se adjuntan las gráficas P-V y T-S.

Sistema Energético de la Unión Europea (UE)

El sistema energético de la UE es una forma jerárquica y estructurada para garantizar un suministro eficiente, seguro y sostenible de energía a todos los usuarios.

• Generadores / Almacenadores: Son responsables de producir o almacenar energía eléctrica. Operan distintas fuentes de energía, tanto renovables como no renovables. (Ej: Endesa, Disa).
• Transportistas y Operadores del Sistema: El transporte se realiza a través de redes de alta tensión, que permiten mover grandes cantidades de energía desde los centros de generación hasta las zonas de consumo. (Ej: Red Eléctrica de España).
• Distribuidores: (Ej: e-distribución).
• Comercializadores: Venden la energía eléctrica al usuario final. Actúan como intermediarios entre los generadores y los consumidores. (Ej: Endesa).

Turbina Pelton

El agua penetra en una cámara de carga, desde donde se impulsa, a gran velocidad, a través de una o varias toberas, incidiendo en los alvéolos de un rodete con cucharas dobles montadas periféricamente. La energía hidráulica de presión se transforma completamente en energía cinética en la tobera antes de llegar al rodete. El agua choca en las cucharas del rodete, que está diseñado para desviar el chorro de agua cerca de 180°, aprovechando así al máximo la cantidad de movimiento del fluido para generar energía mecánica. Las turbinas Pelton se utilizan cuando hay una gran altura de caída de agua (altos saltos) y un caudal pequeño. Se adaptan muy bien a estas condiciones, proporcionando rendimientos elevados. Se instalan en centrales hidroeléctricas de alta presión, es decir, donde el salto hidráulico es superior a los 200 metros.

Ventajas de la Turbina Pelton:

• Alta eficiencia para grandes alturas de caída.
• Simplicidad constructiva y buen rendimiento incluso a carga parcial.
• Facilidad de mantenimiento.

Inconvenientes de la Turbina Pelton:

• No son adecuadas para caudales elevados o saltos bajos.
• Requieren una construcción robusta y pueden sufrir erosión por partículas en suspensión si el agua no está bien filtrada.

Turbina Kaplan

Al poder mover los álabes, la turbina Kaplan se puede poner en posiciones que no tengan el eje vertical. Esto también hace que las partículas de agua no tengan tantas pérdidas. Al no tener ese cambio brusco de dirección, hace que sean más eficientes. Este tipo de turbinas son utilizadas para grandes caudales y alturas bajas. Sus inconvenientes son el alto coste de mantenimiento y la complejidad mecánica con la que cuenta.

Turbina Francis

La turbina Francis es una turbina en la que se puede observar la cámara espiral: elemento más aguas arriba, comienza donde concluye la tubería forzada. Su misión principal es repartir el agua de manera uniforme en los 360° del antedistribuidor al que envuelve, y como misión secundaria proporcionarle al agua una determinada dirección. Su forma es similar a la de un caracol. Su sección transversal, por tanto, disminuye continuamente ya que al ir distribuyendo caudal al órgano siguiente ha de pasar por ella cada vez menos caudal. En este tipo de turbina, el fluido sufre un cambio de presión considerable en su paso por el rodete. El fluido entra en el rodete con una presión superior a la atmosférica y a la salida presenta una depresión. Este tipo de turbinas trabaja con grandes caudales y presiones.