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Centrales eléctricas parte 2 - Monografía



 
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CENTRAL NUCLEAR



La energía generada en el reactor sirve para convertir el agua en vapor dentro del generador de vapor.   El vapor acciona la turbina acoplada al generador. La energía eléctrica producida se libera a la red después de elevar la tensión con los transformadores.  El vapor de agua se condensa y vuelve al generador de vapor, con lo que se cierra el circuito.

Reactor Nuclear


Un reactor nuclear es una instalación capaz de iniciar, mantener y controlar las reacciones de fisión en cadena, con los medios adecuados para extraer el calor generado.
Un reactor nuclear consta de varios elementos, que tienen cada uno un papel importante en la generación del calor.   Estos elementos son:

1.    El combustible, formado por un material fisionable, generalmente un compuesto de uranio, en el que tienen lugar las reacciones de fisión, y por tanto, es la fuente de generación del calor.
2.    El moderador, que hace disminuir la velocidad de los neutrones rápidos, llevándolos a neutrones lentos o térmicos. Este elemento no existe en los reactores denominados rápidos. Se emplean como materiales moderadores el agua , el grafito y el agua pesada.
3.    El refrigerante, que extrae el calor generado por el combustible del reactor. Generalmente se usan refrigerantes líquidos, como el agua ligera y el agua pesada, o gases como el anhídrido carbónico y el helio.
4.    El reflector, que permite reducir el escape de neutrones de la zona del combustible, y por tanto disponer de más neutrones para la reacción en cadena. Los materiales usados como reflectores son el agua, el grafito y el agua pesada.
5.    Los elementos de control, que actúan como absorbentes de neutrones, permiten controlar en todo momento la población de neutrones, y por tanto, la reactividad del reactor, haciendo que sea crítico durante su funcionamiento, y sub-crítico durante las paradas. Los elementos de control tienen formas de barras, aunque también pueden encontrarse diluido en el refrigerante.
6.    El blindaje, que evita el escape de radiación gamma y de neutrones del reactor. Los materiales usados como blindaje son el hormigón, el agua y el plomo.

Combustible nuclear



Se llama combustible nuclear cualquier material que contiene núcleos fisionables y puede emplearse en un reactor nuclear para que en él se desarrolle una reacción nuclear en cadena.
Según esto el uranio es un combustible nuclear, como también lo es el óxido de uranio.
En el primer caso nos referimos a un elemento químico, algunos de cuyos isótopos son fisionables; en el segundo, a un compuesto químico determinado que contiene tales isótopos.

Entendemos por isótopos fisionables aquellos núcleos susceptibles de experimentar fisión. Para hablar con precisión, sería necesario especificar la energía de los neutrones que pueden hacer fisionar dichos isótopos; por ejemplo, el U-238 no es fisionable por los neutrones térmicos (baja velocidad), pero si por los rápidos, aunque con pequeña sección eficaz. Normalmente, y a no ser que se hagan mayores precisiones, suele entenderse por isótopo fisionable cualquier núcleo que fisiona por la acción de los neutrones térmicos.
El único isótopo fisionable por neutrones térmicos que existe en la naturaleza es el U-235. Se encuentra en una proporción del 0′711% en el uranio natural.
Hay otros isótopos fisionables que no existen en la naturaleza pero que pueden obtenerse artificialmente. Los principales son:

El uranio-233: que se obtiene por captura de un neutrón por un núcleo de torio-232. El núcleo intermedio formado sufre dos desintegraciones beta, dando lugar al mencionado U-233.

El plutonio-239: Aunque han podido detectarse trazas de él, se considera que no es un isótopo natural. Se forma en la captura de un neutrón por un núcleo de uranio-238, seguida de dos emisiones beta.

El plutonio-241: Tiene menor importancia que los anteriores. Se forma por la captura de un neutrón por el Pu-240, el cual procede a su vez, de la captura de un neutrón por un núcleo de Pu-239.

La obtención de los dos primeros isótopos, el U-233 y el Pu-239, se puede realizar en los propios reactores nucleares, si introducimos en los mismos núcleos de torio-232 y uranio-238, que son los átomos que por captura de un neutrón dan lugar a los isótopos fisionables. Este material se llama material fertil>.

Elementos combustibles



Los elementos combustibles son los responsables de producir energía en los Reactores Nucleares, generando calor durante dicho proceso como cualquier otro tipo de combustible
Los Elementos Combustibles están formados normalmente, por:

El material combustible: normalmente e Uranio y/o Plutonio combinado con oxígeno para formar un óxido o con otro material para formar una aleación.
Las vainas: normalmente aleaciones metálicas (de Zirconio, Aluminio, etc) que encierran herméticamente al material combustible para evitar que se escapen los productos (la mayoría gases) formados durante las reacciones nucleares.
Materiales estructurales: son también aleaciones metálicas (de Zirconio, Aluminio y/o aceros) que sirven para dar una estructura geométrica al conjunto permitiendo así que la remoción del calor generado sea extraído con facilidad por el líquido refrigerante (normalmente agua) que se mueve a través de ellos.
Ciclo del combustible nuclear
Se denomina ciclo del combustible nuclear al conjunto de operaciones necesarias para la fabricación del combustible destinado a las centrales nucleares, así como al tratamiento del combustible gastado producido por la operación de las mismas.
En el caso del uranio, el ciclo cerrado incluye la minería, la producción de concentrados de uranio, el enriquecimiento (si procede), la fabricación de los elementos combustibles, su empleo en el reactor y la reelaboración de los elementos combustibles irradiados, para recuperar el uranio remanente y el plutonio producido, separando ambos de los residuos de alta actividad que hay que evacuar definitivamente.   Si el combustible irradiado no se reelabora es considerado en su totalidad como residuo radiactivo, lo que se denomina ciclo abierto, con lo que no se completa el denominado ciclo del combustible nuclear.

Tipos de Reactores Nucleares


Los reactores nucleares se clasifican, de acuerdo con la velocidad de los neutrones que producen las reacciones de fisión, en:reactores rápidos y reactores térmicos.
A su vez, los reactores térmicos se clasifican, de acuerdo con el tipo de moderadore empleado, en: reactores de agua ligera, reactores de agua pesada y reactores de grafito. Con cada uno de estos reactores está asociado generalmente el tipo de combustible usado, así como el refrigerante empleado.
Los reactores más empleados en las centrales núcleo -eléctricas son:

REACTOR DE AGUA A PRESIÓN (PWR)

, que emplea agua ligera como moderador y refrigerante; óxido de uranio enriquecido como combustible. El refrigerante circula a una presión tal que el agua no alcanza la ebullición, y extrae el calor del reactor, que después lleva a un intercambiador de calor, donde se genera el vapor que alimenta a la turbina.

REACTOR DE AGUA EN EBULLICIÓN (BWR)

, que emplea elementos similares al anterior, pero ahora el refrigerante, al trabajar a menor presión, alcanza la temperatura de ebullición al pasar por el núcleo del reactor, y parte del líquido se transforma en vapor, el cual una vez separado de aquél y reducido su contenido de humedad, se conduce hacia la turbina sin necesidad de emplear el generador de vapor.

REACTOR DE AGUA PESADA (HWR),

que emplea agua pesada como moderador. Existen versiones en las que el refrigerante es agua pesada a presión, o agua pesada en ebullición. Puede emplear uranio natural o ligeramente enriquecido como combustible.

REACTOR DE GRAFITO-GAS.

Este tipo de reactores usan grafito como moderador y CO2 como refrigerante. Mientras que los primeros reactores de este tipo emplearon uranio natural en forma metálica, los actuales denominados avanzados de gas (AGR) utilizan óxido de uranio enriquecido; y los denominados reactores de alta temperatura (HTGR), usan helio como refrigerante.

REACTOR DE AGUA EN EBULLICIÓN (RBMK)

, moderado por grafito, desarrollado en la Unión Soviética, que consiste en un reactor moderado por grafito, con uranio enriquecido, y refrigerado por agua en ebullición. Este tipo de reactores no se han empleado en Europa occidental.

Reactor Rápido



En este tipo de reactores no existe el elemento moderador para los neutrones y por tanto el flujo de neutrones cae en la zona de los neutrones rápidos. En estos reactores el combustible de la zona central, formado por un óxido de uranio o de uranio y plutonio, se rodea de una zona de óxido de uranio muy empobrecido, con un contenido de U-235 menor o igual al del uranio natural.
Con esta disposición, y si se usa un refrigerante que no produzca la moderación de neutrones (normalmente se emplea sodio), se puede conseguir que en la capa de U-238 que rodea al combustible se genere más plutonio que el que se consume. De esta forma, al mismo tiempo que se está generando energía térmica, se está produciendo combustible en forma de Pu-239, que puede usarse en cualquier tipo de reactor, tanto rápido como térmico.
A este tipo de reactores también se les conoce por reactores reproductores, y su importancia es enorme, ya que permiten obtener un mejor aprovechamiento de los recursos existentes de uranio.
En este momento existen muy pocos países que tengan centrales núcleo-eléctricas con este tipo de reactores.  En primer lugar, Francia con el Superphenix de 1200 MW funcionando en Crys-Malville, es la mayor central existente.  Le sigue la antigua Unión Soviética con un proyecto de varias centrales con reactores de 600 MW, y finalmente Japón con una central de 300 MW.

Funcionamiento de una central nuclear



El esquema general de una central tipo nuclear, puede ser el siguiente:

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En este esquema se observan las tres partes de una central nuclear tipo:
- Circuito Primario, (Edificio del Reactor)
- Circuito Secundario, (Generación de electricidad)
- Circuito de Refrigeración

CIRCUITO PRIMARIO



El circuito primario es estanco y está formado por la vasija del reactor que contiene el núcleo, el presionador y tres lazos. Cada uno incorpora un generador de vapor y una bomba principal.
El agua desmineralizada que circula por su interior toma el calor producido en el reactor por la fisión nuclear y lo transporta hasta el generador de vapor. En él, un segundo flujo de agua independiente del primero, absorbe el calor a través de su contacto exterior con las tuberías por las que circula el agua desmineralizada del circuito primario. Por fin, dicho fluido retorna a la vasija del reactor tras ser impulsado por las bombas principales.

El reactor y su circuito de refrigeración están contenidos dentro de un recinto hermético y estanco, llamado “Contención” consistente en una estructura esférica de acero de 53 m de diámetro, construida mediante planchas de acero soldadas de 40 mm de espesor y que se soporta sobre una estructura de hormigón en forma de cáliz que se apoya sobre la losa de cimentación de 3′5 m de espesor.  La Contención está ubicada en el interior de un segundo edificio, también de hormigón y cuyas paredes exteriores tienen un espesor de 60 cm, llamado edificio del Anillo del Reactor. Este tiene forma cilíndrica y está rematado por una cúpula semiesférica, que sirve de blindaje biológico.  El funcionamiento del circuito primario se complementa con la presencia de una serie de sistemas auxiliares que aseguran el control de volumen, purificación y desgasificación del refrigerante.

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La salida al exterior tanto de la radiación como de productos radiactivos es imposible por tres barreras físicas, asegurando cada una de ellas, que la hipotética rotura de una barrera sea soportada por la siguiente.
1ª Barrera:
Las vainas que albergan el combustible.
2ª Barrera:
La propia vasija del reactor integrada en el circuito primario.
3ª Barrera:
El recinto de contención, estructura esférica de acero recubierto de hormigón.

En el circuito secundario, el vapor producido en los generadores se conduce al foco frío o condensador, a través de la turbina que transforma la energía térmica (calor) en energía mecánica. La rotación de los álabes de la turbina acciona directamente el alternador de la central y produce energía eléctrica.  El vapor de agua que sale de la turbina pasa a estado líquido en el condensador, retornando, mediante el concurso de las bombas de condensado, al generador de vapor para reiniciar el ciclo.

Ventajas de las centrales nucleares:


- Aprovecha la materia prima de la naturaleza.

- posee elementos en su construcción que permiten una muy buena seguridad y que evitan el escape de radiación gamma y de neutrones del reactor. Los materiales usados como blindaje son el hormigón, el agua y el plomo.

- Este sistema consta de dos torres de refrigeración de tiro natural, un canal de recogida del agua y las correspondientes bombas de impulsión para la refrigeración del condensador y elevación del agua a las torres.

- El caudal de agua evaporado por la torre es restituido a partir de la toma de agua en un azud de un río próximo.

Desventajas de las centrales nucleares:



- Si el combustible irradiado no se reelabora es considerado en su totalidad como residuo radiactivo, lo que se denomina ciclo abierto, con lo que no se completa el denominado ciclo del combustible nuclear.

- La salida al exterior tanto de la radiación como de productos radiactivos es imposible por tres barreras físicas: Las vainas que albergan el combustible, La propia vasija del reactor integrada en el circuito primario, El recinto de contención, estructura esférica de acero recubierto de hormigón, asegurando cada una de ellas.

- Generación de residuos reactivos que puede ser perjudiciales para el medio ambiente y que además son difíciles de destruir.

- Si el combustible irradiado no se reelabora es considerado en su totalidad como residuo radiactivo, lo que se denomina ciclo abierto, con lo que no se completa el denominado ciclo del combustible nuclear.


DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA


El recorrido de la corriente desde las centrales hasta el usuario se realiza a través de  dos grandes redes de líneas eléctricas: la de transporte y la de distribución. Las conexiones se llevan a cabo en las estaciones o subestaciones eléctricas.

Líneas eléctricas



Son el conjunto de conductores, aislantes y accesorios, destinados al transporte  y la distribución de energía eléctrica. Se dividen en dos tipos según su construcción:

- Aéreas.

Los conductores se mantienen a una cierta altura del suelo. Son más económicas de instalar que las subterráneas, pero son menos fiables y necesitan más mantenimiento por estar sometidas permanentemente a los cambios meteorológicos (viento, lluvia, nieve, etc.)

- Subterráneas.

Los conductores van enterrados bajo tierra dentro de canales. Tienen un elevado coste de instalación, pero son las más fiables y tienen un mantenimiento menor que las aéreas. Normalmente, las líneas de transporte y las líneas de distribución primaria son aéreas, y las líneas de distribución secundarias, subterráneas.
También se pueden clasificar según el grado de voltaje que transporten: Alta tensión (AT), tensión media (MT) y baja tensión (BT).

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Estaciones eléctricas



Son instalaciones destinadas a la transformación y/o distribución de energía eléctrica y a la conexión entre dos o más líneas.
- Estaciones transformadoras primarias (ET I). Elevan la tensión de la energía eléctrica producida en la central a 110, 132, 220 y/o 400 kV.
- Estaciones de interconexión. Aseguran la unión entre diferentes líneas de transporte.
- Estaciones receptoras o estaciones transformadoras secundarias (ET II). Reducen la tensión de las líneas de transporte a valores comprendidos entre 6 y 66 kV.
- Casetas transformadoras o estaciones transformadoras terciarias (ET III). Su función es reducir la tensión a 220 V y 380 V (baja tensión).
- Estaciones distribuidoras. Interconectan las ET II.

CONSEJOS DE AHORRO DE ENERGÍA


- Sustituya las bombillas de incandescencia por lámparas electrónicas de bajo consumo: ahorran un 80% de energía y duran 10 veces más. A pesar de su mayor coste, la amortización está asegurada.
- Aproveche siempre que pueda la luz natural.
- No use lámparas de más potencia que la que necesite.
- Para incrementar la luminosidad de las habitaciones es recomendable pintarlas de colores claros: son más alegres y absorben menos la claridad.
- Evite tener luces encendidas sin necesidad. En lugares poco frecuentados puede instalar mecanismos de apagado automático.
- Conserve limpias las lámparas y las luminarias: la suciedad absorbe la luz.
- Los reguladores electrónicos de intensidad de luz permiten reducir el consumo de las bombillas incandescentes y también de las halógenas.
- Es aconsejable que cada estancia disponga del alumbrado adecuado a las actividades que se han de realizar en ella.
- Utilice fluorescentes donde necesite tener más iluminación y la luz encendida muchas horas. Si los ha de tener apagados menos de 20 minutos es preferible dejarlos encedidos para no acortar su vida útil.
- Los fluorecentes trifosfóricos dan un 20% más de luz con la misma potencia

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS PARA LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS EN LOS EDIFICIOS ÍNDICE GRÁFICO



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1.    Red de tierras
2.    Centro de transformación
3.    Caja conexión a tierra
4.    Caja General de Protección permanentemente accesible
5.    Canal protector de cables
6.    Centralización contadores
7.    Derivaciones individuales
8.    Cuadro mando y protección
9.    Instalación interior vivienda


EJEMPLO DE UNA PLANTA CENTRAL ELECTRICA:



PLANTA


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PERFIL



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Siendo el transformador el elemento principal que integra un C.T., en la siguiente tabla se indican las dimensiones máximas de los transformadores de distribución, incluidas las partes más salientes (Recomendación UNESA 5201 C ).

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LA ELECTRICIDAD, DESDE EL GENERADOR HASTA SU HOGAR



Para poder disfrutar de la electricidad en nuestro hogar, oficina o empresa ésta realiza un complejo recorrido desde los lugares donde se produce pasando por diferentes etapas hasta llegar finalmente a nuestras manos, en forma de luz, sonido, agua caliente o fría, etc.  Todo este recorrido desde su generación hasta su entrega final, se realiza en lo que se denomina el sistema de potencia.

El sistema de potencia se encuentra dividido en 4 partes fundamentales como lo son:

- Generación
- Transmisión
- Sub-transmisión
- Distribución

1. Generación.



Es aquí donde se realiza la transferencia de energía potencial, térmica, química, eólica (del viento),  nuclear, etc. en energía mecánica y esta en energía eléctrica. Para lo cual se utilizan gigantescos generadores.
Los generadores funcionan de manera similar a los motores, pero en forma inversa, esto significa que: mientras a un motor le inyectamos energía eléctrica para transformarla en energía mecánica (movimiento); a los generadores debemos de alguna manera entregarle energía mecánica (mover su eje) para transformarla en energía eléctrica y así producir electricidad. Claro está que un simple motor no funcionará como generador, para que lo haga deberá tener ciertos accesorios adicionales que los motores normalmente no traen.
Un ejemplo típico de los generadores, es el que utilizan ciertas bicicletas para producir la energía eléctrica suficiente para encender un faro que les permita ver en la oscuridad. El generador es un pequeño motor de corriente continua (DC), quien consigue girar y obtener la energía mecánica necesaria al hacerlo rozar contra uno de los cauchos de la bicicleta .

2. Transmisión.



Toda la electricidad producida en los centros de generación se debe transportar hacia los grandes centros poblados, que por lo general se encuentran bastante alejados, uno del otro. Para realizar esta labor de forma eficiente se eleva el voltaje, por medio de transformadores, a valores entre 230 KV y 765 KV y se utilizan grandes torres metálicas para sujetar los cables que la transportan, cruzar montañas, ríos y lagos; esta es la etapa que denominamos Transmisión.

3. Sub-transmisión.



Una vez que nos aproximamos a los centros poblados, es necesario reducir el voltaje a valores menores (34.5 KV y 115 KV), por medio de transformadores reductores. Para facilitar así, la entrega de energía a su paso y hacer mas sencillo transportar la electricidad hacia los grandes centros industriales y residenciales de las grandes ciudades (al poder utilizar estructuras metálicas de menores dimensiones). Esta corresponde a la etapa de Sub-transmisión.
Existen otros autores que consideran el nivel de voltaje de 115KV como de transmisión, por lo que podrá encontrarse en algunos textos esta diferencia sin que ello signifique un error, sino mas bien una diferencia de criterios.

4. Distribución.



Finalmente y para poder llegar a cada uno de los hogares, centros comerciales e industrias, se vuelve a reducir el voltaje a valores de 13.8 KV y menores, por medio de transformadores reductores. De esta forma es mucho mas sencillo, económico y seguro, transportar la energía eléctrica a cada rincón del pueblo, urbanización o ciudad. Estamos entonces en la etapa de distribución.

En esta etapa se reduce el voltaje a valores comerciales (120 Volt, 240 Volt, 440 Volt), por medio de transformadores instalados directamente en los postes por donde se transporta la energía eléctrica.

Los postes y cables que normalmente vemos en las calles y los cilindros que se ven colgando en algunos postes (denominados transformadores), los cables que parten de los postes hacia cada casa, comercio o industria y los equipos contadores de energía (medidores) son los componentes de la fase de distribución y los últimos en la carrera de la electricidad desde el generador hasta nuestro hogar.
Los lugares donde se colocan los transformadores, bien sea para elevar o reducir el voltaje, se conoce como “Subestación Eléctrica”.

BIBLIOGRAFÍA



- Diccionario de sistemas eléctricos CEAC,  editorial McGraw-Hill.  México 1990 425 pag.
- Maquinas Eléctricas,  Stephen J. Crapman.   Ediorial McGraw-Hill interamericana de México S.A. de C.V.  1988.  650 pag.
- Instalaciones Eléctricas 1,  ing.  Rodolfo Koenigsberger.  Tercera edición, Guatemala, julio de 1991.  155 pag.
- Ingeniería Eléctrica 2,  ing.  Rodolfo Koenigsberger. Nueva edición.
- Sector Eléctrico de Guatemala.  Gerencia de Planificación del INDE.   Raúl Aníbal Marroquín.  58 pag.  Año 2000.

Autor:

Jm Guijarro Valera





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