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Una central nuclear ( CN ) [1] es una central térmica en la que la fuente de calor es un reactor nuclear . Como es típico en las centrales térmicas, el calor se utiliza para generar vapor que impulsa una turbina de vapor conectada a un generador que produce electricidad . En septiembre de 2023 [actualizar], la Agencia Internacional de Energía Atómica informó que había 410 reactores nucleares en funcionamiento en 32 países de todo el mundo y 57 reactores nucleares en construcción. [2] [3]
Las plantas nucleares se utilizan muy a menudo para carga base, ya que sus costos de operación, mantenimiento y combustible se encuentran en el extremo inferior del espectro de costos. [4] Sin embargo, la construcción de una central nuclear suele durar entre cinco y diez años, lo que puede generar costes financieros importantes, dependiendo de cómo se financien las inversiones iniciales. [5]
Las centrales nucleares tienen una huella de carbono comparable a la de las energías renovables como los parques solares y los parques eólicos , [6] [7] y mucho menor que la de los combustibles fósiles como el gas natural y el carbón . A pesar de algunas catástrofes espectaculares, las centrales nucleares se encuentran entre los modos más seguros de generación de electricidad, [8] comparables a las centrales solares y eólicas. [9]
La primera vez que se utilizó el calor de un reactor nuclear para generar electricidad fue el 21 de diciembre de 1951, en el Reactor Reproductor Experimental I , alimentando cuatro bombillas. [10] [11]
El 27 de junio de 1954, la primera central nuclear del mundo capaz de generar electricidad para una red eléctrica , la central nuclear de Óbninsk , comenzó a funcionar en Óbninsk , en la Unión Soviética . [12] [13] [14] La primera central eléctrica a gran escala del mundo, Calder Hall en el Reino Unido , se inauguró el 17 de octubre de 1956. [15] La primera central eléctrica a gran escala del mundo dedicada exclusivamente a la producción de electricidad: Calder Hall fue También destinada a producir plutonio —la central atómica Shippingport en Pensilvania , Estados Unidos— fue conectada a la red el 18 de diciembre de 1957.
La conversión a energía eléctrica se realiza de forma indirecta, como en las centrales térmicas convencionales. La fisión en un reactor nuclear calienta el refrigerante del reactor. El refrigerante puede ser agua o gas, o incluso metal líquido, según el tipo de reactor. Luego, el refrigerante del reactor pasa a un generador de vapor y calienta agua para producir vapor. A continuación, el vapor presurizado suele alimentarse a una turbina de vapor de varias etapas . Una vez que la turbina de vapor se ha expandido y condensado parcialmente el vapor, el vapor restante se condensa en un condensador. El condensador es un intercambiador de calor que está conectado a un lado secundario, como un río o una torre de enfriamiento . Luego, el agua se bombea nuevamente al generador de vapor y el ciclo comienza nuevamente. El ciclo agua-vapor corresponde al ciclo de Rankine .
El reactor nuclear es el corazón de la estación. En su parte central, el núcleo del reactor produce calor debido a la fisión nuclear. Con este calor, se calienta un refrigerante a medida que se bombea a través del reactor y, por tanto, se extrae energía del reactor. El calor de la fisión nuclear se utiliza para generar vapor, que circula a través de turbinas , que a su vez alimentan los generadores eléctricos.
Los reactores nucleares suelen depender del uranio para alimentar la reacción en cadena. El uranio es un metal muy pesado que abunda en la Tierra y se encuentra en el agua de mar y en la mayoría de las rocas. El uranio natural se encuentra en dos isótopos diferentes : el uranio-238 (U-238), que representa el 99,3%, y el uranio-235 (U-235), que representa aproximadamente el 0,7%. El U-238 tiene 146 neutrones y el U-235 tiene 143 neutrones.
Diferentes isótopos tienen diferentes comportamientos. Por ejemplo, el U-235 es fisible, lo que significa que se divide fácilmente y desprende mucha energía, lo que lo hace ideal para la energía nuclear. En cambio el U-238 no tiene esa propiedad a pesar de ser el mismo elemento. Los diferentes isótopos también tienen vidas medias diferentes . El U-238 tiene una vida media más larga que el U-235, por lo que tarda más en desintegrarse con el tiempo. Esto también significa que el U-238 es menos radiactivo que el U-235.
Dado que la fisión nuclear genera radiactividad, el núcleo del reactor está rodeado por un escudo protector. Esta contención absorbe la radiación y evita que se libere material radiactivo al medio ambiente. Además, muchos reactores están equipados con una cúpula de hormigón para proteger el reactor tanto contra accidentes internos como contra impactos externos. [dieciséis]
La función de la turbina de vapor es convertir el calor contenido en el vapor en energía mecánica. La sala de máquinas con la turbina de vapor suele estar estructuralmente separada del edificio del reactor principal. Está alineado para evitar que los restos de la destrucción de una turbina en funcionamiento vuelen hacia el reactor. [ cita necesaria ]
En el caso de un reactor de agua a presión, la turbina de vapor está separada del sistema nuclear. Para detectar una fuga en el generador de vapor y, por tanto, el paso de agua radiactiva en una fase temprana, se monta un medidor de actividad para rastrear el vapor de salida del generador de vapor. Por el contrario, los reactores de agua en ebullición hacen pasar agua radiactiva a través de la turbina de vapor, por lo que la turbina se mantiene como parte del área radiológicamente controlada de la central nuclear.
El generador eléctrico convierte la energía mecánica suministrada por la turbina en energía eléctrica. Se utilizan generadores síncronos de CA de polo bajo de alta potencia nominal. Un sistema de refrigeración extrae calor del núcleo del reactor y lo transporta a otra zona de la estación, donde la energía térmica puede aprovecharse para producir electricidad o realizar otros trabajos útiles. Normalmente, el refrigerante caliente se utiliza como fuente de calor para una caldera, y el vapor presurizado impulsa uno o más generadores eléctricos impulsados por turbinas de vapor . [17]
En caso de emergencia, se pueden utilizar válvulas de seguridad para evitar que las tuberías exploten o que el reactor explote. Las válvulas están diseñadas para que puedan obtener todos los caudales suministrados con poco aumento de presión. En el caso del BWR , el vapor se dirige a la cámara de supresión y allí se condensa. Las cámaras de un intercambiador de calor están conectadas al circuito de refrigeración intermedio.
El condensador principal es un gran intercambiador de calor de carcasa y tubos de flujo cruzado que toma vapor húmedo, una mezcla de agua líquida y vapor en condiciones de saturación, del escape del generador de turbina y lo condensa nuevamente en agua líquida subenfriada para que pueda ser bombeado de regreso al reactor por las bombas de condensado y agua de alimentación. [18] [ se necesita cita completa ]
En el condensador principal, el escape de la turbina de vapor húmedo entra en contacto con miles de tubos por los que fluye agua mucho más fría en el otro lado. El agua de refrigeración normalmente proviene de una masa de agua natural, como un río o un lago. La estación de generación nuclear Palo Verde , ubicada en el desierto a unos 97 kilómetros (60 millas) al oeste de Phoenix, Arizona, es la única instalación nuclear que no utiliza una masa de agua natural para enfriar, sino que utiliza aguas residuales tratadas del área metropolitana de Phoenix. área. El agua proveniente del cuerpo de agua de enfriamiento se bombea de regreso a la fuente de agua a una temperatura más cálida o regresa a una torre de enfriamiento donde se enfría para más usos o se evapora en vapor de agua que se eleva por la parte superior de la torre. [19]
El nivel de agua en el generador de vapor y en el reactor nuclear se controla mediante el sistema de agua de alimentación. La bomba de agua de alimentación tiene la tarea de tomar el agua del sistema de condensado, aumentar la presión y forzarla hacia los generadores de vapor (en el caso de un reactor de agua a presión ) o directamente al reactor, en el caso de los reactores de agua en ebullición .
El suministro continuo de energía a la planta es fundamental para garantizar un funcionamiento seguro. La mayoría de las centrales nucleares requieren al menos dos fuentes distintas de energía externa para lograr redundancia. Por lo general, estos son proporcionados por múltiples transformadores que están suficientemente separados y pueden recibir energía de múltiples líneas de transmisión. Además, en algunas centrales nucleares, el generador de turbina puede alimentar las cargas de la estación mientras ésta está en línea, sin requerir energía externa. Esto se logra mediante transformadores de servicio de la estación que obtienen energía de la salida del generador antes de que llegue al transformador elevador.
La economía de las centrales nucleares es un tema controvertido y las inversiones multimillonarias dependen de la elección de una fuente de energía. Las centrales nucleares suelen tener altos costos de capital, pero bajos costos directos de combustible, y los costos de extracción, procesamiento, uso y almacenamiento del combustible gastado están internalizados. [20] Por lo tanto, la comparación con otros métodos de generación de energía depende en gran medida de suposiciones sobre los plazos de construcción y la financiación de capital para las centrales nucleares. Las estimaciones de costos tienen en cuenta los costos de desmantelamiento de estaciones y almacenamiento o reciclaje de desechos nucleares en los Estados Unidos debido a la Ley Price Anderson .
Con la perspectiva de que todo el combustible nuclear gastado pueda reciclarse mediante el uso de futuros reactores, se están diseñando reactores de cuarta generación para cerrar completamente el ciclo del combustible nuclear . Sin embargo, hasta ahora no ha habido ningún reciclaje real a granel de residuos de una central nuclear, y el almacenamiento temporal in situ todavía se utiliza en casi todas las instalaciones debido a problemas de construcción de depósitos geológicos profundos . Sólo Finlandia tiene planes estables de almacenamiento de residuos, por lo que, desde una perspectiva mundial, los costos del almacenamiento de residuos a largo plazo son inciertos.
Dejando a un lado los costos de construcción o de capital, las medidas para mitigar el calentamiento global , como un impuesto al carbono o el comercio de emisiones de carbono , favorecen cada vez más la economía de la energía nuclear. Se espera lograr mayores eficiencias mediante diseños de reactores más avanzados; los reactores de Generación III prometen ser al menos un 17% más eficientes en términos de combustible y tener costos de capital más bajos, mientras que los reactores de Generación IV prometen mayores ganancias en eficiencia de combustible y reducciones significativas en los desechos nucleares.
En Europa del Este, varios proyectos establecidos desde hace mucho tiempo están luchando por encontrar financiación, en particular Belene en Bulgaria y los reactores adicionales en Cernavodă en Rumania , y algunos posibles patrocinadores se han retirado. [21] Cuando hay disponibilidad de gas barato y su suministro futuro es relativamente seguro, esto también plantea un problema importante para los proyectos nucleares. [21]
El análisis de la economía de la energía nuclear debe tener en cuenta quién asume los riesgos de incertidumbres futuras. Hasta la fecha, todas las centrales nucleares en funcionamiento fueron desarrolladas por empresas de servicios públicos estatales o reguladas , donde muchos de los riesgos asociados con los costos de construcción, el rendimiento operativo, el precio del combustible y otros factores recaían en los consumidores y no en los proveedores. [22] Muchos países han liberalizado el mercado de la electricidad , donde estos riesgos y el riesgo de que surjan competidores más baratos antes de que se recuperen los costos de capital, son asumidos por los proveedores y operadores de estaciones y no por los consumidores, lo que lleva a una evaluación significativamente diferente de la economía de las nuevas Estaciones de energía nuclear. [23]
Tras el accidente nuclear de Fukushima en 2011 en Japón , es probable que aumenten los costos de las centrales nucleares nuevas y actualmente en funcionamiento, debido a los mayores requisitos de gestión del combustible gastado in situ y a las elevadas amenazas a las bases de diseño. [24] Sin embargo, muchos diseños, como el AP1000 actualmente en construcción, utilizan sistemas de enfriamiento pasivos de seguridad nuclear , a diferencia de los de Fukushima I , que requerían sistemas de enfriamiento activos, lo que elimina en gran medida la necesidad de gastar más en equipos de seguridad de respaldo redundantes.
Según la Asociación Nuclear Mundial , a marzo de 2020:
La empresa nuclear estatal rusa Rosatom es el mayor actor en el mercado internacional de la energía nuclear y construye plantas nucleares en todo el mundo. [26] Mientras que el petróleo y el gas rusos estuvieron sujetos a sanciones internacionales después de la invasión rusa a gran escala de Ucrania en febrero de 2022, Rosatom no fue objeto de sanciones. [26] Sin embargo, algunos países, especialmente en Europa, redujeron o cancelaron las plantas de energía nuclear planificadas que iban a ser construidas por Rosatom. [26]
Los diseños de reactores nucleares modernos han tenido numerosas mejoras de seguridad desde los reactores nucleares de primera generación. Una planta de energía nuclear no puede explotar como un arma nuclear porque el combustible para los reactores de uranio no está lo suficientemente enriquecido , y las armas nucleares requieren explosivos de precisión para forzar el combustible a un volumen lo suficientemente pequeño como para volverse supercrítico. La mayoría de los reactores requieren un control continuo de la temperatura para evitar una fusión del núcleo , que ha ocurrido en algunas ocasiones por accidentes o desastres naturales, liberando radiación y volviendo inhabitable el área circundante. Las plantas deben defenderse contra el robo de material nuclear y los ataques de aviones militares o misiles enemigos. [27]
Los accidentes más graves hasta la fecha han sido el accidente de Three Mile Island de 1979 , el desastre de Chernóbil de 1986 y el desastre nuclear de Fukushima Daiichi de 2011 , correspondiente al inicio de la operación de los reactores de generación II .
El profesor de sociología Charles Perrow afirma que los complejos y estrechamente acoplados sistemas de reactores nucleares de la sociedad forman parte de fallos múltiples e inesperados. Estos accidentes son inevitables y no se pueden diseñar para evitarlos. [28] Un equipo interdisciplinario del MIT ha estimado que, dado el crecimiento previsto de la energía nuclear entre 2005 y 2055, se esperarían al menos cuatro accidentes nucleares graves en ese período. [29] El estudio del MIT no tiene en cuenta las mejoras en seguridad desde 1970. [30] [31]
El debate sobre la energía nuclear sobre el despliegue y uso de reactores de fisión nuclear para generar electricidad a partir de combustible nuclear para fines civiles alcanzó su punto máximo durante las décadas de 1970 y 1980, cuando "alcanzó una intensidad sin precedentes en la historia de las controversias tecnológicas" en algunos países. [32]
Sus defensores argumentan que la energía nuclear es una fuente de energía sostenible que reduce las emisiones de carbono y puede aumentar la seguridad energética si su uso reemplaza la dependencia de combustibles importados. [33] [ cita completa necesaria ] Los defensores avanzan la noción de que la energía nuclear prácticamente no produce contaminación del aire, en contraste con la principal alternativa viable de los combustibles fósiles. Sus defensores también creen que la energía nuclear es el único camino viable para lograr la independencia energética para la mayoría de los países occidentales. Destacan que los riesgos de almacenar residuos son pequeños y pueden reducirse aún más utilizando la última tecnología en reactores más nuevos, y que el historial de seguridad operativa en el mundo occidental es excelente en comparación con otros tipos importantes de centrales eléctricas. [34] [ cita completa necesaria ]
Quienes se oponen dicen que la energía nuclear plantea muchas amenazas a las personas y al medio ambiente, [ ¿quién? ] [ palabras de comadreja ] y que los costos no justifican los beneficios. Las amenazas incluyen riesgos para la salud y daños ambientales derivados de la extracción, el procesamiento y el transporte de uranio , el riesgo de proliferación o sabotaje de armas nucleares y el problema de los desechos nucleares radiactivos . [35] [36] [37] Otro problema medioambiental es la descarga de agua caliente al mar. El agua caliente modifica las condiciones ambientales para la flora y fauna marina. También sostienen que los reactores en sí son máquinas enormemente complejas en las que muchas cosas pueden salir mal, y de hecho lo hacen, y ha habido muchos accidentes nucleares graves . [38] [39] Los críticos no creen que estos riesgos puedan reducirse mediante nueva tecnología , [40] a pesar de los rápidos avances en los procedimientos de contención y métodos de almacenamiento.
Los opositores argumentan que cuando se consideran todas las etapas de la cadena de combustible nuclear que consumen mucha energía, desde la extracción de uranio hasta el desmantelamiento de la energía nuclear , la energía nuclear no es una fuente de electricidad con bajas emisiones de carbono a pesar de la posibilidad de refinamiento y almacenamiento a largo plazo al ser alimentada por una energía nuclear. instalación. [41] [42] [43] Aquellos países que no contienen minas de uranio no pueden lograr la independencia energética a través de las tecnologías de energía nuclear existentes. Los costos reales de construcción a menudo exceden las estimaciones y los costos de gestión del combustible gastado son difíciles de definir. [ cita necesaria ]
El 1 de agosto de 2020, los Emiratos Árabes Unidos pusieron en marcha la primera planta de energía nuclear de la región árabe. La unidad 1 de la planta de Barakah en la región de Al Dhafrah de Abu Dhabi comenzó a generar calor el primer día de su lanzamiento, mientras que las 3 unidades restantes están en construcción. Sin embargo, el director del Nuclear Consulting Group, Paul Dorfman, advirtió que la inversión de la nación del Golfo en la planta representa un riesgo de "desestabilizar aún más la volátil región del Golfo, dañar el medio ambiente y aumentar la posibilidad de proliferación nuclear". [44]
La tecnología de reprocesamiento nuclear se desarrolló para separar y recuperar químicamente el plutonio fisionable del combustible nuclear irradiado. [45] El reprocesamiento tiene múltiples propósitos, cuya importancia relativa ha cambiado con el tiempo. Originalmente el reprocesamiento se utilizaba únicamente para extraer plutonio para producir armas nucleares . Con la comercialización de la energía nuclear , el plutonio reprocesado se recicló nuevamente para convertirlo en combustible nuclear MOX para reactores térmicos . [46] El uranio reprocesado , que constituye la mayor parte del material combustible gastado, en principio también puede reutilizarse como combustible, pero esto sólo resulta económico cuando los precios del uranio son altos o su eliminación es costosa. Finalmente, el reactor reproductor puede emplear no sólo el plutonio y el uranio reciclados en el combustible gastado, sino todos los actínidos , cerrando el ciclo del combustible nuclear y potencialmente multiplicando la energía extraída del uranio natural por más de 60 veces. [47]
El reprocesamiento nuclear reduce el volumen de desechos de alta actividad, pero por sí solo no reduce la radiactividad o la generación de calor y, por lo tanto, no elimina la necesidad de un depósito de desechos geológicos. El reprocesamiento ha sido políticamente controvertido debido al potencial de contribuir a la proliferación nuclear , la vulnerabilidad potencial al terrorismo nuclear , los desafíos políticos de la ubicación de los depósitos (un problema que se aplica igualmente a la eliminación directa del combustible gastado) y debido a su alto costo en comparación con el ciclo del combustible de un solo paso. [48] En Estados Unidos, la administración Obama dio un paso atrás en los planes del presidente Bush para el reprocesamiento a escala comercial y volvió a un programa centrado en la investigación científica relacionada con el reprocesamiento. [49]
La energía nuclear funciona bajo un marco de seguros que limita o estructura las responsabilidades por accidentes de acuerdo con el Convenio de París sobre Responsabilidad Civil en Materia de Energía Nuclear , el convenio complementario de Bruselas y la Convención de Viena sobre Responsabilidad Civil por Daños Nucleares . [50] Sin embargo, los estados con la mayoría de las centrales nucleares del mundo, incluidos Estados Unidos, Rusia, China y Japón, no son parte de los convenios internacionales sobre responsabilidad nuclear.
El desmantelamiento nuclear es el desmantelamiento de una central nuclear y la descontaminación del sitio hasta un estado que ya no requiere protección contra la radiación para el público en general. La principal diferencia con el desmantelamiento de otras centrales eléctricas es la presencia de material radiactivo que requiere precauciones especiales para eliminarlo y reubicarlo de manera segura en un depósito de desechos.
El desmantelamiento implica muchas acciones administrativas y técnicas. Incluye toda la limpieza de radiactividad y demolición progresiva de la estación. Una vez que una instalación sea clausurada, ya no debería haber ningún peligro de accidente radiactivo ni para las personas que la visiten. Una vez que una instalación ha sido completamente desmantelada, queda liberada del control reglamentario y el titular de la licencia de la central ya no es responsable de su seguridad nuclear.
En términos generales, las centrales nucleares fueron diseñadas originalmente para una vida útil de unos 30 años. [52] [53] Las estaciones más nuevas están diseñadas para una vida útil de 40 a 60 años. [54] El reactor Centurion es una clase futura de reactor nuclear que está siendo diseñado para durar 100 años. [55]
Uno de los principales factores limitantes del desgaste es el deterioro de la vasija de presión del reactor bajo la acción del bombardeo de neutrones; [53] sin embargo, en 2018 Rosatom anunció que había desarrollado una técnica de recocido térmico para las vasijas de presión del reactor que mejora el daño por radiación y extiende la vida útil al entre 15 y 30 años. [56]
Las estaciones nucleares se utilizan principalmente para carga base debido a consideraciones económicas. El costo del combustible para las operaciones de una central nuclear es menor que el costo del combustible para el funcionamiento de plantas de carbón o gas. Dado que la mayor parte del costo de una planta de energía nuclear es costo de capital, casi no se ahorra dinero al operarla a menos de su capacidad total. [57]
Las centrales nucleares se utilizan habitualmente a gran escala en modo de seguimiento de carga en Francia, aunque "en general se acepta que no es una situación económica ideal para las centrales nucleares". [58] La unidad A en la ahora desmantelada central nuclear alemana Biblis fue diseñada para modular su producción un 15% por minuto entre el 40% y el 100% de su potencia nominal. [59]
Rusia ha liderado el desarrollo práctico de centrales nucleares flotantes , que pueden transportarse al lugar deseado y ocasionalmente reubicarse o trasladarse para facilitar su desmantelamiento. En 2022, el Departamento de Energía de los Estados Unidos financió un estudio de investigación de tres años sobre la generación de energía nuclear flotante en alta mar. [60] En octubre de 2022, NuScale Power y la empresa canadiense Prodigy anunciaron un proyecto conjunto para llevar al mercado una planta flotante norteamericana basada en un pequeño reactor modular . [61]
Una turbina eólica terrestre de nueva construcción produce hoy alrededor de nueve gramos de CO2 por cada kilovatio hora (kWh) que genera... una nueva planta marina en el mar emite siete gramos de CO2 por kWh... las plantas de energía solar emiten 33 gramos CO2 por cada kWh generado... el gas natural produce 442 gramos de CO2 por kWh, la energía de la hulla 864 gramos y la energía del lignito o lignito, 1034 gramos... la energía nuclear representa alrededor de 117 gramos de CO2 por kWh, considerando las emisiones provocadas por la minería de uranio y la construcción y operación de reactores nucleares.
Un solo reciclaje de plutonio en forma de combustible MOX aumenta la energía derivada del uranio original en aproximadamente un 12%...
