Reactor de agua a presión (PWR)
El diseño de reactor nuclear más extendido del mundo (~70 % de la flota). El agua del circuito primario, presurizada a 155 bar para mantenerse líquida a 320 °C, lleva el calor de la fisión del combustible de UO₂ a un generador de vapor que alimenta la turbina.
Condiciones de operación
- Temperatura
- 280-320°C
- Presión
- 155bar
- Catalizador
- U-235 enriquecido (3-5 %), moderador H₂O, control con B/Cd
- Fase
- liquid
Cómo funciona
Cómo funciona
Electricidad a partir de fisión o fusión
Componentes clave
La función de cada pieza principal y los elementos o compuestos que intervienen.
Edificio de contención
Última barrera de seguridad: contiene la radiactividad incluso en caso de rotura del circuito primario o de fusión parcial del núcleo.
Edificio cilíndrico de hormigón pretensado (~1 m de espesor), a menudo revestido con una piel metálica estanca. Está diseñado para resistir sobrepresiones internas (~5 bar), el impacto de un avión y los terremotos. Las centrales EPR (generación III+) usan una doble contención con un espacio anular ventilado en depresión para lograr una estanquidad casi total.
Hormigón pretensado ~1 m · resiste 5 bar de presión interna · doble pared (EPR)
Vasija del reactor
Aloja el núcleo (elementos combustibles + barras de control) sumergido en el agua primaria presurizada.
Cilindro de acero forjado de una sola pieza, con fondo abombado, de ~12 m de altura y ~4-5 m de diámetro, con paredes de 20-25 cm de espesor. Se presuriza a 155 bar para que el agua no hierva a 320 °C. Los neutrones que salen son absorbidos por una vasija revestida interiormente de acero inoxidable. La vasija es la pieza no reemplazable que define la vida útil del reactor (40-80 años).
Acero forjado · 155 bar · 320 °C · 12 m × 4-5 m · pared 20-25 cm
Ver tambiénuo2h2ofeElementos combustibles de UO₂
Sede de la fisión nuclear: la energía de cada ²³⁵U fisionado se convierte en calor en el refrigerante primario.
Pastillas cerámicas de UO₂ (Ø 8-9 mm × 10 mm de altura) sinterizadas y apiladas dentro de una vaina de aleación de circonio (Zircaloy o M5™), que forman barras de combustible de ~4 m. Hay ~250 barras por elemento y ~150-200 elementos por núcleo. El enriquecimiento en ²³⁵U es del 3-5 % (frente al 0.72 % natural). Cada fisión libera ~200 MeV, es decir, unos 80 GJ por gramo de ²³⁵U fisionado.
Pastillas de UO₂ Ø 8 mm · vaina de circonio · enriquecimiento en ²³⁵U 3-5 %
Ver tambiénuo2uBarras de control
Regulan la potencia y detienen la reacción en cadena absorbiendo neutrones libres.
Barras de aleación Ag-In-Cd (80 % Ag, 15 % In, 5 % Cd) o de B₄C, que se introducen entre las barras de combustible desde la parte superior de la vasija. El boro y el cadmio tienen secciones eficaces de captura de neutrones térmicos enormes. En una parada de emergencia («scram») la inserción completa dura ~2 segundos. La regulación fina de la potencia también usa boro soluble en el agua primaria (~600 ppm al inicio del ciclo).
Ag-In-Cd o B₄C · scram en ~2 s · boro soluble 0-1500 ppm
Ver tambiénbcdaginGenerador de vapor
Intercambiador de calor entre el circuito primario (radiactivo) y el secundario (agua limpia que hierve).
Cilindro vertical (~21 m de altura, ~5 m de diámetro) que contiene ~5 500 tubos en U de aleación Inconel 690 (resistente a la corrosión bajo tensión). El agua primaria a 320 °C circula por el interior de los tubos; el agua secundaria, a 70 bar, los baña por fuera y hierve a 285 °C. La superficie de intercambio de calor es de ~7 000 m². Cada PWR tiene 3 o 4 de ellos: su integridad es crítica, y una fuga en un tubo es el incidente más vigilado de toda la flota.
Inconel 690 · ~5500 tubos en U · ~7000 m² · secundario 70 bar / 285 °C
Ver tambiénh2ofenicrPresionador
Mantiene la presión del circuito primario en 155 bar para evitar la ebullición a 320 °C.
Recipiente vertical parcialmente lleno de agua, coronado por un colchón de vapor (equilibrio líquido/vapor saturado a 345 °C / 155 bar). La dilatación térmica del fluido primario calentado hace subir el nivel del agua y comprime el vapor, de modo que la presión aumenta. Unas resistencias eléctricas en la parte inferior y unas duchas de agua fría en la superior permiten un control fino (±2 bar). Si la presión se desvía demasiado, unas válvulas de alivio descargan vapor en un tanque de condensación.
155 bar · 345 °C · calentadores eléctricos + aspersión · válvulas de seguridad
Turbina-alternador
Convierte la energía cinética del vapor en electricidad (~37 % de rendimiento neto).
Turbina de vapor de varios cuerpos (alta presión + 2 o 3 etapas de baja presión) que gira a 1500 o 3000 rpm, acoplada a un alternador síncrono refrigerado por hidrógeno. La turbina de un PWR de 1300 MWe consume ~6 500 t/h de vapor. El rendimiento de Carnot tiene un tope de ~40 % (vapor saturado a 285 °C, foco frío a 25 °C), de ahí la importancia de un buen foco frío. Es la parte «clásica» del proceso, idéntica a la de una central de gas o de carbón.
AP + BP · 1500-3000 rpm · ~6500 t/h de vapor · rendimiento neto ~37 %
Condensador terciario
Condensa el vapor agotado de la turbina en un circuito cerrado y lo devuelve al generador de vapor.
Enorme intercambiador de calor (~30 000 m² de tubos de latón o titanio) refrigerado con agua de río, de mar o de torre de refrigeración. El vacío creado por la condensación (~50 mbar absolutos) mejora el rendimiento de la turbina. Una central de 1300 MWe suele evacuar 2000 MW de calor residual al circuito terciario, de ahí los icónicos penachos blancos de las torres de refrigeración (vapor de agua puro, sin radiactividad).
~30 000 m² · vacío ~50 mbar · ~2000 MW de calor cedido · penacho = vapor puro
Ver tambiénh2o
Principios físicos y químicos
Las leyes fundamentales que hacen posible este proceso y las restricciones que imponen.
Reacción nuclear en cadena controlada
Un neutrón térmico golpea un núcleo de ²³⁵U → fisión en dos fragmentos + 2 o 3 neutrones + ~200 MeV. Si cada fisión produce en promedio exactamente 1 neutrón que provoca otra fisión (k_eff = 1), el reactor es crítico: la potencia se mantiene constante. Por encima, la potencia sube; por debajo, decae. Todo el control consiste en mantener k_eff cerca de 1 mediante las barras de control y el boro soluble.
²³⁵U + n → ¹⁴¹Ba + ⁹²Kr + 3 n + ~200 MeVModeración de neutrones por el agua
Los neutrones nacidos de la fisión son rápidos (~2 MeV) y demasiado energéticos para fisionar eficazmente el ²³⁵U. El agua los frena mediante colisiones elásticas con los protones del H₂O: normalmente 18-20 colisiones para bajar hasta ~0.025 eV (velocidad térmica). A esa energía, la sección eficaz de fisión del ²³⁵U es de ~580 barns, frente a ~1 barn para neutrones rápidos. Por eso un PWR necesita agua en el núcleo: sin ella, la reacción se apaga.
n_rapide + H_eau → n_thermique (~0,025 eV)Transporte de calor bifásico y ciclo de Rankine
El agua primaria se mantiene líquida a 320 °C gracias a los 155 bar y lleva el calor al generador de vapor. Allí, el agua secundaria a 70 bar hierve a 285 °C, se convierte en vapor sobrecalentado, se expande en la turbina liberando su energía cinética y luego se vuelve a condensar en el condensador. Es un ciclo de Rankine clásico, idéntico al de una central de carbón, salvo que la fuente de calor es nuclear.
η_Carnot ≈ 1 − T_froide / T_chaude ≈ 40 % théo · ~37 % réel
Compuestos implicados
Reactivo
Principales aplicaciones
- Electricidad de base con bajas emisiones de carbono95 %
- Cogeneración de calor industrial3 %
- Desalinización de agua de mar1 %
- Propulsión naval militar1 %
Generación IV, SMR y cierre del ciclo del combustible
- SMR (reactores modulares pequeños): reactores prefabricados de ~300 MWe (NuScale, Rolls-Royce SMR, NUWARD)
- EPR (gen III+): recuperador de corio, redundancia cuádruple, doble contención (Flamanville 3, Hinkley Point C)
- Combustible MOX: reciclaje del Pu procedente del reprocesamiento (hasta el 30 % del núcleo en Francia)
- Combustible ATF (tolerante a accidentes): vainas de SiC o recubrimientos de Cr para frenar la oxidación en caso de accidente
- Vigilancia de las vasijas con probetas testigo para prolongar la explotación hasta 60-80 años
- Reactores de generación IV (sales fundidas, gas de alta temperatura, metal líquido) — demostradores en curso
Procesos similares o competidores
Procesos industriales relacionados: otra química, otra tecnología.
- centrale-bwr
Reactor de agua en ebullición: el agua hierve directamente en la vasija (~70 bar). Un solo circuito y sin generador de vapor: más sencillo, pero el vapor de la turbina es radiactivo.
- centrale-candu
Reactor canadiense de agua pesada (D₂O): puede usar uranio natural sin enriquecer gracias a la absorción neutrónica muy baja del D₂O. Recarga con el reactor en marcha.
- epr
Evolución de generación III+ del PWR franco-alemán: 1600-1700 MWe, seguridad pasiva, vida útil de más de 60 años (Flamanville 3, Olkiluoto 3, Hinkley Point C).
- reacteur-sels-fondus
Reactor de sales fundidas (generación IV): combustible disuelto en sales de fluoruro líquidas a 700 °C; seguridad intrínseca, mayor rendimiento y menos residuos. Hay demostradores en marcha (TerraPower, Copenhagen Atomics).