Energía Nuclear y Tecnologías de Generación

Centrales Térmicas

Características:

• Producción de electricidad mediante combustión de carbón, petróleo o gas natural.
• Gran tamaño y potencia (MW).
• Ubicación cercana a un río o lago.
• Eficiencia típica 35 – 40 %.
• Conversión de energía térmica en eléctrica, eficiencia máxima: η=(1−T₂/T₁)·100, donde T₁: Temperatura del fluido en la entrada de la turbina y T₂: Temperatura del fluido en la salida de la turbina.

Composición:

• Caldera: Transferencia de calor del combustible quemado a los tubos de agua.
• Turbinas: Generalmente 3 turbinas, AP, MP y BP conectadas al mismo generador.
• Condensador: Extrae la energía restante del vapor que sale de la turbina de BP.
• Torres de Enfriamiento: Utilizadas en caso de no tener ríos o lagos cerca. Enfriamiento por evaporación. Pérdida de 2,4 MJ por kg de agua evaporada.

Efectos Medioambientales:

• Efecto invernadero (CO₂).
• Problemas cardiovasculares (CO).
• Lluvia ácida (SO_x).
• No en caso de gas natural.
• Expulsión de polvo y ceniza suelta (Esmog).

Radiación Nuclear

Clases de Radiación:

• Radiación Alfa: Liberación de 4 nucleones por parte de un núcleo, 2 neutrones y 2 protones. El número atómico del elemento se reduce en 2, transformándose en otro. Radiación debida a repulsión electromagnética. Efecto túnel cuántico.
• Radiación Beta: Electrón (β−) o positrón (β+) de alta energía (velocidad). Radiación debida a exceso de neutrones o protones en un núcleo. Transformación del elemento a Z+1 (β−) o Z-1 (β+).
• Radiación Gamma: Contienen una energía más alta que las otras dos. Generada cuando un núcleo pasa de un estado excitado a uno de menos energía. Muy penetrante en la materia.

Fisión Nuclear:

• Un núcleo pesado se divide en otros dos núcleos de menor masa.
• Neutrón como agente desencadenante de la reacción de fisión.
• Debido a que no tiene carga eléctrica, no está sujeto a las fuerzas de Coulomb.
• No interactúa eléctricamente con los electrones o el núcleo.
• Los neutrones pueden penetrar fácilmente en el interior de un átomo y colisionar con el núcleo.

Reactores Nucleares

• Reactores de Agua a Presión (PWR): Agua como refrigerante (ligera o pesada). Alta presión en el agua para mantenerla líquida. Necesidad de un intercambiador de calor para producir vapor para la turbina.
• Reactores de Agua Hirviente (BWR): Agua ordinaria como refrigerante. El agua hierve a alta presión, liberando vapor. El vapor circula directamente por la turbina. Uso de uranio enriquecido.
• Reactores de Gas a Alta Temperatura (HTGR): Gas inerte (por ejemplo: Helio o CO₂) como refrigerante. Alta temperatura de operación ≈ 750 ºC. Grafito como moderador. Uso de intercambiador para producir vapor.
• Reactor de Alimentador Rápido (FBR): Generan más combustible nuclear que el que consumen. Generalmente refrigerados mediante sodio líquido. No necesitan moderador. Combustible: 80 % PuO₂ 20 % UO₂. Transformación de U²³⁸ no fisil a Pu²³⁹ fisil.

Fusión Nuclear

• Sucede en estrellas.
• Mucho más energética que la fisión.
• Necesidad del plasma para mantener la reacción activa.
• Consumo de energía elevado para generar plasma y mantenerla controlada.
• Hasta ahora no se ha conseguido generar energía.

Plasma:

• Conjunto eléctricamente neutro de átomos ionizados.
• Todos los núcleos y electrones se mueven de forma libre.
• Al tratarse de partículas cargadas eléctricamente, reacciona ante un campo magnético.

2 Reacciones de fusión prometedoras:

• Deuterio – Tritio: Obtención del deuterio del agua de mar (33 g por tonelada). Tritio es muy raro en la naturaleza, se produce desde el litio. Se requieren “solo” 100 millones de ºC.
• Deuterio – Deuterio: Menos energética que la reacción Deuterio – Tritio. Necesaria una temperatura de 300 millones de ºC. Como referencia, temperatura máxima en el Sol – 15 millones de ºC. Opción restante si se termina el litio para producir tritio. Se podrían obtener 100 MWh por gramo de deuterio.

Tecnologías de Fusión

Tokamak:

• Calentamiento resistivo debido a la corriente toroidal elevada.
• Generación de campo magnético helicoidal para contener plasma.
• Mediante bobinas externas e inducción de corriente en el plasma.
• Generación de energía mediante absorción de neutrones.
• Uso de nitrógeno y helio líquidos como refrigerantes.
• No pueden trabajar de forma continua.

Stellarators:

• Posibilidad de mayor tiempo de funcionamiento que tokamak.
• Confinamiento utilizando solamente campo magnético de bobinas.
• Se dobla el plasma en vez de generar campo helicoidal.
• Tecnología menos desarrollada.

Confinamiento Inercial:

• Se bombardea una pequeña cápsula de combustible mediante potentes láseres.
• Los láseres calientan la superficie de la cápsula de forma instantánea, provocando su expansión.
• La expansión de la superficie hace que el núcleo de la cápsula se comprima.
• Debido a la presión generada, aumenta la temperatura, desencadenando la fusión.

Tiempo de confinamiento: periodo en el que un sistema emite energía a su entorno.

Cogeneración

Características:

• Elevado rendimiento energético.
• Reducidos costes de inversión, operación y mantenimiento.
• Alta flexibilidad de operación y disponibilidad a distintos regímenes de carga.
• Corto periodo de construcción.
• Posibilidad de ubicación cercana a los puntos de consumo final.
• Impacto medioambiental reducido: Reducidas emisiones a la atmósfera, No generación de residuos sólidos, Menor consumo de agua de refrigeración.
• Incrementa la dependencia energética del exterior.
• Elevado coste del combustible.
• Inestabilidad del coste del combustible.

Componentes:

• Motor Alternativo: Alta eficiencia a carga parcial. Mejor comportamiento ante arranques y paradas repetidos. Diferentes tipos de combustible.
• Turbina de Gas: Temperatura de salida de gases más alta. Caudal de gases de combustión más fácil. Aprovechamiento de calor más fácil. Menor coste de mantenimiento.
• Turbina de Vapor: Pionera en la cogeneración. Actualmente se usa como complemento para ciclos combinados. Residuos y biomasa.

¿Quién puede cogenerar?

• Consumidores de energía térmica que utilicen ésta a menos de 500 ºC.
• Generalmente consumidores de vapor, fluido térmico, agua caliente, o gases para secado.
• También grandes consumidores de frío (Trigeneración).
• No cogeneran los grandes consumidores eléctricos que no requieren consumo térmico.
• Tampoco los grandes consumidores de calor a alta temperatura.

Ventajas de la Cogeneración:

• Proceso de generación mediante combustible fósil más eficiente.
• Posibilidad de utilizar residuos para producción eléctrica.
• Posibilidad de empleo de suministros locales.
• Comparativa con generación eléctrica y de calor por separado: Menor consumo de energía primaria.
• Beneficios al mix eléctrico nacional.
• Beneficios al medio ambiente.
• Beneficios al sistema eléctrico nacional: Reducción de requerimientos de demanda, Posibilidad de aportar excedentes al sistema, Posibilidad de descargar redes de transporte saturadas, Disminución de pérdidas por transmisión y distribución, Requerimientos más asequibles para subestaciones y líneas de transmisión y distribución.
• Beneficios al usuario o empresa industrial: Ahorro económico (Diferencia entre precio de la energía de la red y precio de combustible empleado para generar), Autosuficiencia energética.

Etiquetas: cogeneración, energía nuclear, Energias renovables, Fisión nuclear, fusión nuclear, reactores nucleares