Centrales eléctricas

¿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 fuel, o a través de la energía de fisión del uranio.

Para realizar la conversión de energía mecánica en eléctrica, se emplean unas máquinas denominadas generadores, que constan de dos piezas fundamentales: el estator y el rotor. La primera de ellas es una armadura metálica cubierta en su interior por unos hilos de cobre, que forman diversos circuitos. La segunda, el rotor, situada en el interior del estator, está formada en su parte interior por un eje, y en su parte más externa por unos circuitos, que se transforman en electroimanes cuando se les aplica una pequeña cantidad de corriente.

Cuando el rotor gira a gran velocidad, debido a la energía mecánica aplicada, se producen unas corrientes en los hilos de cobre del interior del estator. 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 ó 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, 220 V ó 125 V, que son las que usualmente empleamos en nuestros equipos y aparatos.

¿Qué es una central hidroeléctrica?

Una central hidroeléctrica es aquélla 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 una montaña. La masa de agua embalsada se conduce a través de una tubería hacia los alabes 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 alabes de la turbina.

Una central eléctrica no almacena energía, sino que la 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.

¿Qué es una central no nuclear?

Una central térmica para producción de energía eléctrica 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.

Los tipos de centrales térmicas no nucleares son: de carbón, de fuel o de gas natural. En dichas centrales la energía de la combustión del carbón, fuel o gas natural se emplea para hacer la transformación del agua en vapor.

Una central térmica no nuclear 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, fuel o gas.

¿Qué es una central nuclear?

Una central nuclear es una central térmica 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. El calor generado en el combustible del reactor y transmitido después a un refrigerante se emplea para producir vapor de agua, que va hacia la turbina, transformándose su energía en energía eléctrica en el alternador.

¿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:

• 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, llevándolos a 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 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.

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

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:

• Reactor de agua a presión (PWR), que emplea agua ligera como moderador y refrigerante; óxido de uranio enriquecido como combustible. El refrigerante circula a una presión tal que el agua no alcanza 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.
• 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.
• 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.
• Reactor de grafito-gas. Este tipo de reactores usan 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.
• 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 han empleado en Europa occidental.

¿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. El combustible de la zona central, formado por un óxido mixto de uranio y plutonio, se rodea de una zona de óxido de uranio muy empobrecido, con un contenido de uranio-235 menor o igual al del uranio natural y rico en uranio- 238.

Con esta disposición, y utilizando un refrigerante de alta densidad y poca afinidad para la captura neutrónica (normalmente se emplea sodio), 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 les conoce como 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, y la India, que tienen reactores de baja y media potencia en operación.

¿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 primera generación, cada una con una tecnología diferente. Estas centrales fueron José Cabrera (un reactor de agua ligera a presión, PWR), Santa María de Garoña (un reactor de agua ligera en ebullición, BWR) y Vandellós (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 (dos reactores del tipo agua ligera a presión), Ascó (dos unidades del mismo tipo que las anteriores) y Cofrentes (un reactor de agua ligera en ebullición).Posteriormente, se pusieron en funcionamiento las centrales de Vandellós-ll (un reactor de agua ligera a presión) y la de Trillo (un reactor de agua ligera a presión).

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.

¿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 el confinamiento 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.

¿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 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. Para una central tipo de sólo 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 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.

¿Qué es una central eólica?

Es una instalación en donde la energía cinética del viento 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 alcanzar potencias superiores a un megavatio, lo cual hace que su utilidad esté muy restringida, en primer lugar, por razón de la zona de vientos fuertes y, en segundo lugar, por razón de su potencia unitaria. Además, el número de horas que una central eólica está disponible para producir energía eléctrica es muy bajo si se compara con los de las centrales térmicas y nucleares.

¿Qué vida tienen las centrales eléctricas?

La vida de las centrales eléctricas depende de varios factores. El más importante está ligado a la vida individual de aquellos componentes que tienen mayor importancia y coste de inversión. En general este término está atribuido a la caldera en el caso de las centrales termoeléctricas, y al embalse en las hidroeléctricas.

La vida estimada de estos componentes, y por tanto de la central, es de unos treinta años por término medio para las centrales térmicas, y de algo más para las hidráulicas.

Otro factor que limita la vida de una central eléctrica es la rentabilidad tecnológica de una central después de varios años de funcionamiento. Para tener centrales que en todo momento sean actuales, es necesario hacer un proceso de inspecciones periódicas para comprobar el estado de los componentes más importantes.

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.

¿Qué es un reactor nuclear asistido por acelerador?

En los últimos años se han desarrollado aceleradores que permiten obtener elevadas corrientes de protones de alta energía. De esta forma, es posible obtener corrientes de algunos mA con protones de hasta varios GeV que, al interaccionar con un material pesado, como por ejemplo plomo, producen neutrones 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 el prototipo del que se derivan 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 de protones.
• Un sistema subcrítico quemador formado por torio que utiliza el flujo deneutrones procedente de las reacciones de espalación procedentes del acelerador.

¿Qué son los reactores avanzados?

Los reactores avanzados se caracterizan por un diseño nuevo que se basa en los conceptos de centrales actualmente en operación. Es decir se incorporan componentes probados, con alta fiabilidad, se diseña una estructura óptima redundante y diversificada, con lo cual no es necesario diseñar un prototipo previo y se produce un ahorro económico importante, además de reducción del tiempo para el licénciamiento y el comienzo de la construcción de las primeras unidades. Se les denomina también evolutivos por ser una evolución de los reactores en funcionamiento.

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

En el momento actual existen los siguientes conceptos de reactores avanzados, algunos de los cuales ya se han construido y están en operación, mientras que otros están en fase de construcción en países del Pacífico:

• ABWR (Advanced Boiling Water Reactor). Reactor BWR evolutivo diseñado por General Electric, de 1350 MWe de potencia.
• System 80+. Reactor PWR evolutivo diseñado por Combustión Engineering, de 1350 MWe de potencia.
• AP600. Reactor PWR pasivo diseñado por Westinghouse, de 600 Mwe de potencia.
• SBWR (Simplified Boiling Water Reactor). Reactor BWR pasivo de diseño General Electric de 600 MWe.