Podemos generar energía eléctrica mediante la energía nuclear. En una central nuclear, se genera energía eléctrica por reacción nuclear. Aquí, elementos radiactivos pesados como el Uranio (U235) o el Torio (Th232) son sometidos a fisión nuclear. Esta fisión se realiza en un aparato especial llamado reactor.
En el proceso de fisión, los núcleos de átomos radiactivos pesados se rompen en dos partes casi iguales. Durante esta ruptura de núcleos, se libera una gran cantidad de energía. Esta liberación de energía se debe a un defecto de masa. Esto significa que la masa total del producto inicial se reduce durante la fisión. Esta pérdida de masa durante la fisión se convierte en energía térmica según la famosa ecuación establecida por Albert Einstein.
El principio básico de una central nuclear es el mismo que el de una central térmica convencional. La única diferencia es que, en lugar de usar el calor generado por la combustión del carbón, en una central nuclear, el calor generado por la fisión nuclear se utiliza para producir vapor de agua en la caldera. Este vapor se usa para accionar una turbina de vapor.
Esta turbina es el motor principal del alternador. Este alternador genera energía eléctrica. Aunque la disponibilidad de combustible nuclear no es mucha, una cantidad muy pequeña de combustible nuclear puede generar una gran cantidad de energía eléctrica.
Esta es la característica única de una central nuclear. Un kilogramo de uranio es equivalente a 4500 toneladas métricas de carbón de alta calidad. Esto significa que la fisión completa de 1 kg de uranio puede producir tanta energía como la combustión completa de 4500 toneladas métricas de carbón de alta calidad.
Por eso, aunque el combustible nuclear es mucho más costoso, el costo del combustible nuclear por unidad de energía eléctrica sigue siendo menor que el costo de la energía generada por otros combustibles como el carbón y el diésel. Para hacer frente a la crisis de combustibles convencionales en la era actual, las centrales nucleares pueden ser las alternativas más adecuadas.
Como hemos dicho, el consumo de combustible en esta central es bastante bajo y, por lo tanto, el costo para generar una sola unidad de energía es considerablemente menor que en otros métodos de generación de energía convencionales. La cantidad de combustible nuclear requerido también es menor.
Una central nuclear ocupa un espacio mucho menor en comparación con otras centrales convencionales de la misma capacidad.
Esta central no requiere mucha agua, por lo que no es esencial construir la planta cerca de fuentes naturales de agua. Tampoco requiere una gran cantidad de combustible, por lo que tampoco es esencial construir la planta cerca de una mina de carbón o en un lugar donde haya buenas instalaciones de transporte. Debido a esto, la central nuclear puede establecerse muy cerca del centro de carga.
Hay grandes depósitos de combustible nuclear en todo el mundo, por lo que estas plantas pueden garantizar el suministro continuo de energía eléctrica durante miles de años.
El combustible no está fácilmente disponible y es muy costoso.
El costo inicial de construcción de una central nuclear es bastante alto.
La instalación y puesta en marcha de esta planta son mucho más complicadas y sofisticadas que las de otras centrales convencionales.
Los subproductos de la fisión son de naturaleza radiactiva y pueden causar una alta contaminación radiactiva.
El costo de mantenimiento es mayor y la mano de obra requerida para operar una central nuclear es considerablemente mayor, ya que se necesitan personas especializadas y capacitadas.
Las fluctuaciones súbitas de la carga no pueden ser atendidas eficientemente por las centrales nucleares.
Como los subproductos de las reacciones nucleares son altamente radiactivos, es un gran problema su disposición. Solo se pueden deshacer profundamente en el suelo o en el mar lejos de la costa.
Una central nuclear tiene principalmente cuatro componentes.
Reactor nuclear
Intercambiador de calor
Turbina de vapor
Alternador
Vamos a discutir estos componentes uno por uno:
En un reactor nuclear, el Uranio 235 se somete a fisión nuclear. Controla la reacción en cadena que comienza cuando se realiza la fisión. La reacción en cadena debe controlarse, de lo contrario, la tasa de liberación de energía será rápida y puede haber una alta probabilidad de explosión. En la fisión nuclear, los núcleos del combustible nuclear, como el U235, son bombardeados por un flujo lento de neutrones. Debido a este bombardeo, los núcleos de Uranio se rompen, lo que causa la liberación de una gran cantidad de energía térmica y, durante la ruptura de los núcleos, se emiten varios neutrones.
Estos neutrones emitidos se llaman neutrones de fisión. Estos neutrones de fisión causan una fisión adicional. La fisión adicional crea más neutrones de fisión, que nuevamente aceleran la velocidad de la fisión. Este es un proceso acumulativo.
Si el proceso no se controla, en un tiempo muy corto, la tasa de fisión se vuelve tan alta que libera una cantidad enorme de energía, lo que puede provocar una explosión peligrosa. Esta reacción acumulativa se llama reacción en cadena. Esta reacción en cadena solo se puede controlar eliminando los neutrones de fisión del reactor nuclear. La velocidad de la fisión se puede controlar cambiando la tasa de eliminación de los neutrones de fisión de los reactores.
Un reactor nuclear es un recipiente de alta presión de forma cilíndrica. Las barras de combustible están hechas de combustible nuclear, es decir, Uranio, y generalmente están cubiertas por moderadores, que normalmente están hechos de grafito. Los moderadores ralentizan los neutrones antes de la colisión con los núcleos de Uranio. Las barras de control están hechas de cadmio, ya que el cadmio es un fuerte absorbente de neutrones.
Las barras de control se insertan en la cámara de fisión. Estas barras de control de cadmio pueden empujarse hacia abajo y extraerse según sea necesario. Cuando estas barras se empujan lo suficiente, la mayoría de los neutrones de fisión son absorbidos por estas barras, por lo que la reacción en cadena se detiene. De nuevo, cuando las barras de control se extraen, la disponibilidad de neutrones de fisión aumenta, lo que incrementa la tasa de la reacción en cadena.
Por lo tanto, queda claro que ajustando la posición de las barras de control, se puede controlar la tasa de la reacción nuclear y, en consecuencia, la generación de energía eléctrica puede controlarse según la demanda de carga. En la práctica, el empuje y la extracción de las barras de control se controlan mediante un sistema de retroalimentación automático según la demanda de carga. No se controla manualmente. El calor liberado durante la reacción nuclear se lleva al intercambiador de calor mediante un refrigerante compuesto de sodio metálico.
En el intercambiador de calor, el calor transportado por el sodio metálico se disipa en el agua y el agua se convierte en vapor de alta presión aquí. Después de liberar calor en el agua, el refrigerante de sodio metálico vuelve al reactor mediante una bomba de circulación de refrigerante.
En una central nuclear, la turbina de vapor cumple el mismo papel que en una central térmica de carbón. El vapor impulsa la turbina de la misma manera. Después de realizar su trabajo, el vapor de escape entra en un condensador de vapor, donde se condensa para proporcionar espacio al vapor detrás de él.
Un alternador, acoplado a una turbina, gira y genera energía eléctrica para su utilización. La salida del alternador se entrega a las barras de bus a través de un transformador, interruptores de circuito y aisladores.
