Aporte: Grupo de estudiantes de introducción a la Ingeniería eléctrica.
Para entender este dilema es importante tener un contexto histórico y un contexto científico tecnológico de lo que es la electricidad y sus diferentes manifestaciones. El vídeo 1 nos da una buena información del contexto científico tecnológico y el vídeo 2 aporta al contexto histórico que planteo un enfrentamiento denominado la guerra de las corrientes.
Vídeo 1.
Física y Tecnología - Electricidad y magnetismo. Motores. Generadores
Vídeo 2.
Que es la electricidad y su historia
Sobre este tema se han enviado los siguientes trabajos que describen los diferentes contextos:
Motor eléctrico
Jaime Andrés Rosero Rodríguez
Cristian Fabián Jaimes Bayona Ver Documento
La energía nuclear es aquella que se genera mediante un proceso en el que se desintegran los átomos de un material denominado uranio. La energía que libera el uranio al desintegrarse sus átomos produce calor con el que se hierve el agua que se encuentra en los reactores nucleares. Al hervir, el agua genera vapor con el que se mueven las turbinas que se encuentran dentro de los reactores, consiguiendo así producir electricidad.
Algunas ventajas del uso de la energía nuclear son:
Garantiza el suministro eléctrico.
Es una energía limpia y no genera CO2.
Es una de las fuentes más baratas de producción de electricidad.
Los vertidos de las centrales nucleares al exterior son mínimos.
Pero también se encuentra algunas desventajas que generan controversia sobre el uso de este tipo de energía:
Alto riesgo de contaminación en caso de accidente.
Producción de residuos radiactivos que son difíciles de almacenar y son activos durante mucho tiempo.
Alto y prolongado coste de las instalaciones y mantenimiento de las centrales nucleares.
Funcionamiento Central Nuclear
Se tomará como ejemplo el funcionamiento de una central de agua a presión:
Consta de un edificio de contención (1), que es una construcción blindada y hermética compuesta normalmente por una base cilíndrica acabada por una cúpula. En él se alojan los principales componentes del circuito primario, como son el reactor (10), los generadores de vapor (13), el presionador (12) y las bombas del refrigerante (11). Representa, por tanto, la parte más característica de una central nuclear.
El calor generado por las fisiones de los núcleos del combustible alojado en el reactor se transmite al fluido refrigerante (agua), que se mantiene en estado líquido debido a su gran presión. El refrigerante es conducido hacia los generadores de vapor.
A la salida de éstos, el agua vuelve al reactor impulsada por las bombas del refrigerante.
En los generadores de vapor y, sin mezclarse con la del circuito primario, el agua del circuito secundario se convierte en vapor que se conduce al edificio de turbinas a través de las tuberías de vapor principal (2) para accionar los álabes de las turbinas de vapor (3). El vapor que sale de las turbinas pasa nuevamente a estado líquido en el condensador (7).
El agua para refrigerar (8) se toma de un río o del mar y, a través de una o varias torres de refrigeración (9), se enfría antes de devolverla a su origen.
La energía del vapor que llega a las turbinas se convierte en electricidad mediante un generador eléctrico (4).La tensión de salida del mismo es aumentada convenientemente mediante transformadores (5) para ser enviada a la red general a través de las líneas de transporte de energía eléctrica (6).
Entre las instalaciones relevantes de una central nuclear se halla, asimismo, el edificio de combustible (14). En él se halla el sistema de almacenamiento de combustible gastado que permite la pérdida gradual de su actividad. El combustible se cargará posteriormente en un contenedor que, tras su limpieza en el foso de descontaminación, será transportado a las instalaciones de almacenamiento definitivo fuera de la central. En dicho edificio se almacena también el combustible que aún no ha sido utilizado en el reactor.
Una central o planta nuclear es una instalación industrial empleada para la generación de energía eléctrica a partir de energía nuclear. Se caracteriza por el empleo de combustible nuclear fisionable que mediante reacciones nucleares proporciona calor que a su vez es empleado, a través de un ciclo termodinámico convencional, para producir el movimiento de alternadores que transforman el trabajo mecánico en energía eléctrica. Estas centrales constan de uno o más reactores.
El núcleo de un reactor nuclear consta de un contenedor o vasija en cuyo interior se albergan bloques de un material aislante de la radioactividad, comúnmente se trata de grafito o de hormigón relleno de combustible nuclear formado por material fisible (uranio-235 o plutonio-239). En el proceso se establece una reacción sostenida y moderada gracias al empleo de elementos auxiliares que absorben el exceso de neutrones liberados manteniendo bajo control la reacción en cadena del material radiactivo; a estos otros elementos se les denominan moderadores.
Rodeando al núcleo de un reactor nuclear está el reflector cuya función consiste en devolver al núcleo parte de los neutrones que se fugan de la reacción.
Las barras de control que se sumergen facultativamente en el reactor, sirven para moderar o acelerar el factor de multiplicación del proceso de reacción en cadena del circuito nuclear.
El blindaje especial que rodea al reactor, absorbe la radiactividad emitida en forma de neutrones, radiación gamma, partículas alfa y partículas beta.
Un circuito de refrigeración externo ayuda a extraer el exceso de calor generado.
Torres de refrigeración de la central nuclear de Cofrentes, España, expulsando vapor de agua
Central nuclear Almirante Álvaro Alberto, Angra dos Reis, Brasil.
Las instalaciones nucleares son construcciones complejas por la escasez de tecnologías industriales empleadas y por la elevada sabiduría con la que se les dota. Las características de la reacción nuclear hacen que pueda resultar peligrosa si se pierde su control.
La energía nuclear se caracteriza por producir, además de una gran cantidad de energía eléctrica, residuos nucleares que hay que albergar en depósitos especializados. Por otra parte no produce contaminación atmosférica de gases derivados de la combustión que producen el efecto invernadero, ya que no precisan del empleo de combustibles fósiles para su operación.
Funcionamiento
Las centrales nucleares constan principalmente de cuatro partes:
El reactor nuclear, donde se produce la reacción nuclear.
El generador de vapor de agua (sólo en las centrales de tipo PWR).
La turbina, que mueve un generador eléctrico para producir electricidad con la expansión del vapor.
El condensador, un intercambiador de calor que enfría el vapor transformándolo nuevamente en líquido.
El reactor nuclear es el encargado de realizar la fisión de los átomos del combustible nuclear, como uranio, generando como residuo el plutonio, liberando una gran cantidad de energía calorífica por unidad de masa de combustible.
El generador de vapor es un intercambiador de calor que transmite calor del circuito primario, por el que circula el agua que se calienta en el reactor, al circuito secundario, transformando el agua en vapor de agua que posteriormente se expande en las turbinas, produciendo el movimiento de éstas que a la vez hacen girar los generadores, produciendo la energía eléctrica. Mediante un transformador se aumenta la tensión eléctrica a la de la red de transporte de energía eléctrica.
Después de la expansión en la turbina el vapor es condensado en el condensador, donde cede calor al agua fría refrigerante, que en las centrales PWR procede de las torres de refrigeración. Una vez condensado, vuelve al reactor nuclear para empezar el proceso de nuevo.
Las centrales nucleares siempre están cercanas a un suministro de agua fría, como un río, un lago o el mar, para el circuito de refrigeración, ya sea utilizando torres de refrigeración o no.
Sistema de refrigeración en una central nuclear
El sistema de refrigeración se encarga de que se enfríe el reactor. Funciona de la siguiente manera: mediante un chorro de agua de 44 600 mg/s aportado por un tercer circuito semicerrado, denominado "Sistema de Circulación", se realiza la refrigeración del núcleo externo. Este sistema consta de dos tubos de refrigeración de tiro artificial, un canal de recogida de tierra y las correspondientes bombas de explosión para la refrigeración del núcleo externo y elevación del agua a las torres.
Seguridad
Como cualquier actividad humana, una central nuclear de fisión conlleva riesgos y beneficios. Los riesgos deben preverse y analizarse para poder ser mitigados. A todos aquellos sistemas diseñados para eliminar o al menos minimizar esos riesgos se les llama sistemas de protección y control. En una central nuclear de uso civil se utiliza una aproximación llamada defensa en profundidad. Esta aproximación sigue un diseño de múltiples barreras para alcanzar ese propósito. Una primera aproximación a las distintas barreras utilizadas (cada una de ellas múltiple), de fuera a dentro podría ser:
1.) Autoridad reguladora: es el organismo encargado de velar que el resto de barreras se encuentren en perfecto funcionamiento. No debe estar vinculado a intereses políticos ni empresariales, siendo sus decisiones vinculantes.
2.) Normas y procedimientos: todas las actuaciones deben regirse por procedimientos y normas escritas. Además se debe llevar a cabo un control de calidad y deben estar supervisadas por la autoridad reguladora.
3.) Primera barrera física (sistemas pasivos): sistemas de protección intrínsecos basados en las leyes de la física que dificultan la aparición de fallos en el sistema del reactor. Por ejemplo el uso de sistemas diseñados con reactividad negativa o el uso de edificios de contención.
4.) Segunda barrera física (sistemas activos): reducción de la frecuencia con la que pueden suceder los fallos. Se basa en la redundancia, separación o diversidad de sistemas de seguridad destinados a un mismo fin. Por ejemplo las válvulas de control que sellan los circuitos.
5.) Tercera barrera física: sistemas que minimizan los efectos debidos a sucesos externos a la propia central. Como los amortiguadores que impiden una ruptura en caso de sismo.
6.) Barrera técnica: todas las instalaciones se instalan en ubicaciones consideradas muy seguras (baja probabilidad de sismo o vulcanismo) y altamente despobladas.
7.) Salvaguardas técnicas.
Además debe estar previsto qué hacer en caso de que todos o varios de esos niveles fallaran por cualquier circunstancia. Todos los trabajadores, u otras personas que vivan en las cercanías, deben poseer la información y formación necesaria. Deben existir planes de emergencia que estén plenamente operativos. Para ello es necesario que sean periódicamente probados mediante simulacros. Cada central nuclear posee dos planes de emergencia: uno interior y uno exterior, comprendiendo el plan de emergencia exterior, entre otras medidas, planes de evacuación de la población cercana por si todo lo demás fallara.
Aunque los niveles de seguridad de los reactores de tercera generación han aumentado considerablemente con respecto a las generaciones anteriores, no es esperable que varíe la estrategia de defensa en profundidad. Por su parte, los diseños de los futuros reactores de cuarta generación se están centrando en que todas las barreras de seguridad sean infalibles, basándose tanto como sea posible en sistemas pasivos y minimizando los activos. Del mismo modo, probablemente la estrategia seguida será la de defensa en profundidad.
Cuando una parte de cualquiera de esos niveles, compuestos a su vez por múltiples sistemas y barreras, falla (por defecto de fabricación, desgaste o cualquier otro motivo), se produce un aviso a los controladores que a su vez se lo comunican a los inspectores residentes en la central nuclear. Si los inspectores consideran que el fallo puede comprometer el nivel de seguridad en cuestión elevan el aviso al organismo regulador (en España el CSN). A estos avisos se les denomina sucesos notificables.5 6 En algunos casos, cuando el fallo puede hacer que algún parámetro de funcionamiento de la central supere las Especificaciones Técnicas de Funcionamiento (ETF) definidas en el diseño de la central (con unos márgenes de seguridad), se produce un paro automático de la reacción en cadena llamado SCRAM. En otros casos la reparación de esa parte en cuestión (una válvula, un aspersor, una compuerta,...) puede llevarse a cabo sin detener el funcionamiento de la central.
Si cualquiera de las barreras falla aumenta la probabilidad de que suceda un accidente. Si varias barreras fallan en cualquiera de los niveles, puede finalmente producirse la ruptura de ese nivel. Si varios de los niveles fallan puede producirse un accidente, que puede alcanzar diferentes grados de gravedad. Esos grados de gravedad se organizaron en la Escala Internacional de Accidentes Nucleares (INES) por el OIEA y la AEN, iniciándose la escala en el 0 (sin significación para la seguridad) y acabando en el 7 (accidente grave). El incidente (denominados así cuando se encuentran en grado 3 o inferiores) Vandellós I en 1989, catalogado a posteriori (no existía ese año la escala en España) como de grado 3 (incidente importante).7
La ruptura de varias de estas barreras (no existía independencia con el gobierno, el diseño del reactor era de reactividad positiva, la planta no poseía edificio de contención, no existían planes de emergencia, etc.) causó el accidente nuclear más grave ocurrido: el accidente de Chernóbil, de nivel 7 en la Escala Internacional de Accidentes Nucleares(INES).
Tipo de centrales nucleares
Existen muchos tipos de centrales nucleares cada una con sus propias ventajas e inconvenientes. En primer lugar hay centrales basadas en fisión nuclear y en fusión nuclear, aunque éstas se encuentran actualmente en fase experimental y son solo de muy baja potencia.
Las centrales de fisión se dividen en dos grandes grupos: por un lado los reactores térmicos y por otro los rápidos. La diferencia principal entre estos dos tipos de reactores es que los primeros presentan moderador y los últimos no. Los reactores térmicos (los más utilizados en la actualidad) necesitan para su correcto funcionamiento que los neutrones emitidos en la fisión, de muy alta energía sean frenados por una sustancia a la que se llama moderador, cuya función es precisamente esa. Los reactores rápidos (de muy alta importancia en la generación III+ y IV) sin embargo no precisan de este material ya que trabajan directamente con los neutrones de elevada energía sin una previa moderación.
Los reactores térmicos se clasifican según el tipo de moderador que utilizan, así tenemos:
Reactores moderados por agua ligera
Reactores tradicionales
LWR (Light Water Reactor) De diseño occidental
PWR (Pressurized Water Reactor)
BWR (Boiling Water Reactor)
VVER De diseño ruso
Reactores avanzados (basados en los anteriores pero con grandes mejoras en cuanto a seguridad)
AP1000 (Advanced Pressurized Reactor) Basados en el PWR
EPR (European Pressurized Reactor) Basados en PWR
ABWR (Advanced Boiling Water Reactor) Basados en BWR
VVER 1000 basado en el VVER
PHWR (Pressurized Heavy Water Reactor) Reactores moderados por agua pesada
CANDU (Canadian Natural Deuterium Uranium)
Reactores moderados con grafito
Reactores tradicionales (generalmente refrigerados por gas)
RBMK el de Chernóbil refrigerado por agua
MAGNOX de diseño inglés
GCR (Gas Carbón Reactor) de diseño francés
Reactores avanzados
AGR (Advanced Gas Reactor) reactor avanzado basado en el GCR
HTGR (High Tamperature gas reactor) reactor de gas de alta temperatura
PBMR (Pebble Bed Modular Reactor)
Por otra parte tenemos los reactores rápidos, todos ellos avanzados, conocidos como FBR (fast breeder reactors):
Refrigerados por metales líquidos
Sodio
Plomo
Plomo-bismuto
Centrales nucleares en América Latina
Centrales nucleares en Venezuela.
Reactor nuclear RV-1 en Alto de Pipe, Miranda, Venezuela. Inaugurada en 1960. Fue el primer reactor nuclear latinoamericano, dejo de funcionar en 1991 bajo el mandato de Carlos Andrés Pérez. En 2001 el gobierno de Hugo Chávez aprobó un plan de reconversión "Reversible" que permitió utilizar las instalaciones esta vez bajo lo que se denominó como "Planta de Esterilización por Rayos Gamma PE-GAMMA" a un costo 2,1 millones de dólares. La transformación implicó la construcción de infraestructura adicional para el funcionamiento de la planta.
Centrales nucleares en Argentina.
Atucha I. Situada en la ciudad de Lima, partido de Zárate, distante a 100 km de la ciudad de Buenos Aires, Provincia de Buenos Aires. Tipo PHWR. Potencia 335 MWe. Inaugurada en 1974, fue la primera central nuclear de Latinoamérica destinada a la producción de energía eléctrica de forma comercial.
Atucha II. Situada en la ciudad de Lima, partido de Zárate, distante a 115 km de la ciudad de Buenos Aires, Provincia de Buenos Aires. Tipo PHWR. Potencia: 745 MWe. Inaugurada en 2011.
Embalse. Situada en Embalse, Provincia de Córdoba. Tipo PHWR. Potencia 648 MWe. Inaugurada en 1984.
Centros Atómicos:
Centro Atómico Bariloche
Centro Atómico Constituyentes
Centro Atómico Ezeiza
Complejo Tecnológico Pilcaniyeu
Complejo Minero Fabril San Rafael
Centrales nucleares en México.
Laguna Verde I en Punta Limón, Veracruz
México. Inaugurada en 1989. Potencia: 682,5 MWe.
Laguna Verde II en Punta Limón, Veracruz, México. Inaugurada en 1995. Potencia: 682,5 MWe.
Centros Atómicos:
Centro Nuclear Dr. Nabor Carrillo Flores en Ocoyoacac, Estado de México, México. Inaugurado en 1968.
Centrales nucleares en Brasil.
Central nuclear Almirante Álvaro Alberto: se ubica en la Praia de Itaorna en Angra dos Reis, Río de Janeiro, Brasil, está formada por dos reactores de agua presurizada (PWR): ** Angra I, con una potencia de salida neta de 626 MWe, que fue el primero que se conectó a la red en 1982
Angra II, con una potencia de salida de 1275 MWe, conectado en 2000.
Se
denomina energía marina o energía oceánica a toda aquella que es
transportada por las olas, mareas, corrientes, salinidad o
diferencias de temperatura y que puede aprovecharse a partir de tales
recursos. Cualquier movimiento que procede del mar es energía
cinética y potencial que se aplica en la vida actual.
Dentro
de la energía marina se encuentran diferentes tipos de energía:
Energía
de las corrientes: Las
corrientes marinas pueden ser creadas por varios efectos: el viento,
la marea, las diferencias de densidad, de temperatura o de salinidad
y el movimiento de rotación de la Tierra.
Las
corrientes provocan un efecto similar al de las turbinas eólicas,
pero en el mar. De forma que el sistema es el mismo pero el
dispositivo en el caso de las corrientes marinas es más robusto como
consecuencia a la diferencia abismal entre la densidad del aire y la
del agua marina.
Energía
osmótica: La
diferencia de salinidad que se da entre el agua del mar y de los ríos
es también una fuente de energía. Hoy en día, se trabaja en dos
versiones para la obtención de este tipo de energía.Por un lado se
trabaja con el retardo de la presión osmótica que consiste en
bombardear el agua marina a un depósito que se encuentra a una
presión inferior a la que se da entre el agua dulce y la salada. El
agua dulce penetra en un depósito a través de una membrana de forma
que aumenta el volumen y genera electricidad mediante una turbina
hidráulica.
Por
el otro lado está la electrodiálisis inversa, se trata de un
fenómeno inverso a la desalación del agua. Con el uso de membranas
selectivas de iones se crea electricidad en forma de corriente
continua
Energía
térmica:El
calor del sol produce, en el mar, diferentes temperaturas entre la
superficie y el fondo que se aprovechan energéticamente con el uso
de máquinas térmicas. Para que el uso de estos sistemas de
obtención de energía sea rentable es una condición necesaria que
la diferencia de temperatura sea superior a los 20ºC. Esta condición
necesaria solo se obtiene en ciertos lugares tropicales donde las
profundidades son superiores al millar de metros. Las principales
ventajas que muestra este tipo de obtención de energía se deben a
que es una fuente de energía constante y que se ve rentabilizada por
la industria petrolífera.
Energía
de las mareas: Se
basa en aprovechar el ascenso y descenso del agua del mar que está
producido por la acción gravitatoria del sol y la luna.
Para
que se pueda obtener este tipo de energía se establece como
condición que al menos el salto de marea sea de 5 metros. Esta
condición provoca que no sea posible la obtención de energía en
base a las mareas en todos los lugares del mundo.
Para
llevar a cabo el proceso se ha de crear un dique, a fin que se pueda
crear un depósito que se ha de ir llenado en pleamar y se vaciará
en bajamar, de forma que es en ese momento cuando el agua retenida
para por una turbina. Se asimila mucho, este tipo de proceso, al que
se dé la en las centrales hidráulicas, sin embargo, se producen en
este caso graves problemas medioambientales puesto que las zonas de
mejor condición poseen una gran variedad biológica.
La energía mareo-motriz es aquella energía que aprovecha el ascenso y descenso del agua del mar producido por la acción gravitatoria del sol y la luna para generar electricidad de forma limpia. Se trata, por tanto, de una fuente de energía renovable e inagotable que utiliza la energía de las mareas producida en nuestros océanos.
Una central mareo-motriz se basa en el almacenamiento de agua en un embalse formado al construir un dique con unas compuertas que permiten la entrada de agua o caudal para la generación eléctrica. El sistema es sencillo y sigue el mismo principio que los antiguos molinos de mareas: cuando la marea sube, se abren las compuertas y se deja pasar el agua hasta que llega a su máximo nivel. A continuación, se cierra el dique para retenerla y se espera a que el mar vaya bajando al otro lado, lo que produce un gran desnivel. Esta altura es aprovechada para hacer pasar el agua por las turbinas y generar electricidad. Según el Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE), sólo en aquellos puntos de la costa en los que la mar alta y la baja difieren más de cinco metros de altura es rentable instalar una central de estas características.
La instalación mareo-motriz más importante del mundo se encuentra en Francia: la central de la Rance, inaugurada en 1966. Esta planta produce al año 600 millones de kilovatio-hora (kWh),suficiente para cubrir el 45% del consumo eléctrico de toda la Bretaña francesa. Y todo gracias al gran potencial que ofrece la energía de los océanos. Esta central es una prueba patente de cómo las mareas pueden proveer una base de generación de energía que desplace a los combustibles fósiles y a las tecnologías contaminantes que dañan el medio ambiente. La clave reside ahora en desarrollar tecnologías de generación de mareas con poco impacto en la naturaleza y con menores costos de capital y producción.
