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noviembre 28, 2020

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¿Cómo funciona una central nuclear?

En este articulo trataré de explicar el funcionamiento de una central de fisión nuclear, desde el reactor que calienta el agua, hasta las turbinas que transforman la fuerza del vapor en electricidad, pasando por los fundamentos teóricos de esta brillante idea.

Comencemos este viaje con la idea. Año 1938, Alemania. La II Guerra Mundial comienza a mascarse en el aire. Un equipo de investigadores del Institut Berlín integrado por Lise Meitner, Otto Hahn y Otto Frisch llevan años trabajando en un fenómeno descubierto por Enrico Fermi años atrás. Debido al creciente fascismo alzándose en Alemania, Lise, de origen judío, se ve obligada a irse del país.

Con ella se va la mayor parte de esta investigación, pero continuaría carteándose con Hahn, respondiendo a sus dudas acerca de este suceso y haciendo así posible que este continuara el estudio.

Esta investigación estudiaba el fenómeno conocido actualmente como fisión nuclear, que se basa en bombardear núcleos de gran masa (uranio 235, por ejemplo) con neutrones. Estos neutrones impactan contra los núcleos, rompiéndolos y emitiendo energía, radiación, otros núcleos y más neutrones. Queriéndolo así, es altamente probable que alguno de estos nuevos neutrones impacte contra otro núcleo, dándonos la posibilidad de crear una reacción en cadena controlada.

El neutrón (punto negro izquierda) impacta contra el nucleo de U-235, este se rompe dando lugar a Kr-90, Ba-144 y energía, entre otros. Fuente: World Nuclear Association.

Es importante diferenciar entre una reacción nuclear controlada de una no controlada. En una reacción controlada (U-235 con un 2-5% de enriquecimiento) la cantidad de neutrones que impactan contra núcleos se limita mediante elementos de control (como las famosas barras de grafito) y moderadores, como el agua. De esta forma se limita el tamaño de la reacción en cadena; todo lo contrario de lo que se pretende con una bomba nuclear.

Puede parecer ridículo que se obtenga tal cantidad de energía de algo tan pequeño. Pero es consecuencia de lo indicado por Albert Einstein en su Teoría de la Relatividad Especial, resultando la ecuación que rige este principio:

E=mc²
Si medimos las masa inicial y final en un proceso de fisión, obtenemos una masa final ligeramente diferente a la inicial. Esto significa que la diferencia de masas debe de haberse transformado en energía.

Básicamente esto son las bases que hoy nos permiten extraer energía del proceso de ruptura del átomo (a estas alturas, el átomo ya no se cree tan indivisible como su nombre indica, y como se creía antiguamente).

Pasemos ahora al edificio, el templo de la energía, la central nuclear.

Actualmente las centrales nucleares son edificios donde la seguridad es el pilar fundamental del negocio. En estas se consigue romper el átomo y aprovechar esa energía .

Una central nuclear consta fundamentalmente de cuatro partes para lograr el aprovechamiento de la energía; el reactor, los circuitos primarios, secundarios y terciarios. Para lograr un mayor rendimiento suele haber más subcircuitos dentro de cada uno de estos pero nos servirá el funcionamiento de uno solo.

Primero de todo, tenemos el reactor: en esta gran olla a presión introducimos las ”pastillas” de óxido de uranio. Aquí hay agua que actúa como moderador de la reacción, ralentizando la velocidad de los neutrones, y también como refrigerante del propio reactor. De este agua extraeremos la energía del circuito primario.

El circuito primario: este circuito es el encargado de mantener el reactor en temperaturas estables. El refrigerante (agua) viaja desde el reactor hasta un generador de vapor, donde transfiere su calor al circuito secundario. Después vuelve al reactor para seguir el ciclo.

El circuito secundario: en este circuito el agua calentada por el primario pasa en forma de vapor a unas turbinas que transforman la fuerza del vapor en electricidad. El vapor sale de las turbinas donde viaja a un condensador y pasa a estado líquido. Posteriormente se bombea otra vez al evaporador .

El circuito terciario: en este circuito circula agua extraída de un rio, un lago o el mar. Es el encargado de mantener frío el condensador de vapor, para transformarlo en agua y bombearlo.

Si el agua utilizada en el circuito terciario es proveniente de ríos o lagos, necesitaremos torres de refrigeración (esas características chimeneas de las centrales nucleares). La función de estas es enfriar el agua del terciario hasta la misma temperatura del río o agua.

Hasta aquí el funcionamiento de una central nuclear, con una interesante base teórica e histórica sobre todo el proceso que lo hizo posible. Espero que hayas disfrutado tanto leyéndolo como yo escribiéndolo, y, por supuesto, que lo hayas entendido.