El agua es uno de los elementos fundamentales del funcionamiento de una central nuclear. En las centrales nucleares, los elementos combustibles del núcleo ceden su calor, directa o indirectamente, al circuito cerrado de agua/vapor. Además de participar en la generación de electricidad, el agua puede utilizarse en sistemas auxiliares, entre ellos la producción de hipoclorito para el tratamiento del agua de refrigeración y el control de organismos en los circuitos y equipos.
El agua del entorno también participa del proceso, aunque en un circuito independiente. Tomada del río o del lago, se utiliza para refrigerar la planta y retorna luego a su fuente, sin entrar en contacto con el reactor en ninguna etapa. La función de una planta de hipoclorito está vinculada principalmente al acondicionamiento del agua de servicio o de refrigeración, no al contacto directo con el núcleo del reactor.
Funciones del agua en una central nuclear
Dentro del reactor, el agua pesada cumple además la función de transportar el calor generado por la fisión nuclear, que luego se utiliza para producir el vapor que impulsa la turbina. La turbina transmite ese movimiento al generador, donde se produce la electricidad que se incorpora al Sistema Argentino de Interconexión.
En los reactores de agua en ebullición el agua se vaporiza directamente en la misma vasija del reactor; el vapor a alta presión va después a la turbina; el vapor de escape, a baja presión, se condensa en el condensador y el agua condensada regresa a la vasija como agua de alimentación, todo ello en circuito cerrado.
En los reactores de agua a presión se utiliza, además, un circuito cerrado -o primario- de agua que no se convierte en vapor y que circula por el exterior de los elementos combustibles, trasladando el calor recibido a un generador de vapor donde el agua pasa al circuito cerrado -o secundario- de agua/vapor.
En ambos casos, la condensación del vapor de escape de la turbina corre a cargo del agua de refrigeración exterior -foco frío-, que circula por los tubos del condensador y, por tanto, no está en contacto con ningún material ni fluido que haya pasado por el reactor.
Qué es el agua de la planta de hipoclorito
Una planta de hipoclorito es un sistema auxiliar destinado a producir una solución de hipoclorito a partir de agua y una fuente de cloruros, normalmente mediante un proceso electroquímico. El hipoclorito se emplea como biocida para limitar el crecimiento de algas, bacterias, moluscos y otros organismos en las tomas de agua, tuberías, condensadores y sistemas de refrigeración.
El tratamiento resulta especialmente importante cuando la central utiliza agua de mar, ríos, lagos o embalses, porque estos medios contienen organismos capaces de adherirse a las superficies internas, obstruir conducciones y reducir la eficiencia del intercambio térmico.
El agua que se utiliza para preparar el hipoclorito pertenece a los sistemas auxiliares de la instalación. Su recorrido y su calidad dependen del diseño de la central, pero no debe confundirse con el agua del circuito primario ni con el agua que circula por la vasija del reactor.
Relación entre el hipoclorito y el agua de refrigeración
Todas las centrales eléctricas que emplean turbinas de vapor, tanto las que utilizan combustibles fósiles como las nucleares, necesitan de una fuente de agua como refrigerante para producir la condensación del vapor que, al expansionarse en la turbina, mueve el generador y produce energía eléctrica.
La necesidad de agua de refrigeración exterior está determinada por la energía térmica perdida en el ciclo agua-vapor que, según las leyes termodinámicas, va desde 1,25 a 2 kWh térmicos por cada kWh eléctrico generado, según haya o no sobrecalentamiento del vapor y según la temperatura del foco frío.
Una central nuclear de agua ligera de 1.000 MWe entrega constantemente al agua de refrigeración exterior unos 2.000 MWt, aumentando su temperatura ligeramente. En los reactores de agua en ebullición el agua se vaporiza directamente en la misma vasija del reactor.
El hipoclorito ayuda a conservar la capacidad de funcionamiento de los equipos que transfieren ese calor. Al reducir la proliferación biológica, limita la formación de depósitos y la obstrucción de las superficies por las que circula el agua de refrigeración.
Producción del hipoclorito mediante electrólisis
La planta de hipoclorito puede producir el biocida mediante electrólisis de una corriente de agua con cloruros disueltos. En el proceso electroquímico se genera una solución de hipoclorito que posteriormente se dosifica de forma controlada en los puntos donde se necesita impedir el crecimiento biológico.
La solución producida se almacena y se conduce mediante sistemas de dosificación hacia las tomas o circuitos de agua. La cantidad aplicada debe mantenerse bajo control, porque el objetivo es evitar la contaminación biológica sin provocar concentraciones innecesarias de oxidantes en los vertidos.
El agua de la planta de hipoclorito puede requerir filtración u otros tratamientos previos para proteger las celdas electrolíticas y garantizar una producción estable. La calidad del agua influye en el rendimiento del sistema y en la formación de subproductos.
Uso del hipoclorito en circuitos abiertos y cerrados
Circuito abierto
En el circuito abierto, el agua de refrigeración de los condensadores se toma del mar y se devuelve a él lo suficientemente lejos de la toma para que el calor que transporta no influya en la temperatura de la toma.
Si el agua procede de un río, lago o embalse próximos, se toma aguas arriba de la central y se vierte aguas abajo, es decir, se devuelve enteramente al medio del que se tomó. Este esquema, válido para las localizaciones costeras o ríos muy caudalosos, se conoce como circuito abierto de refrigeración, y con él no existe prácticamente consumo de agua.
En un circuito abierto, la dosificación de hipoclorito se aplica normalmente en la toma o en los equipos que pueden sufrir incrustaciones biológicas. Después de circular por el sistema, el agua se devuelve al medio, por lo que el vertido debe someterse a controles químicos y ambientales.
Circuito cerrado
En el ciclo cerrado, si no se dispone de ningún curso de agua abundante cerca de la central, se puede utilizar un embalse artificial que sirva para refrigerar el agua por evaporación natural antes de devolverla al río a la temperatura adecuada.
Más frecuentemente se utilizan torres de refrigeración que mantienen la temperatura del agua a bajos niveles. El agua de refrigeración que sale caliente del condensador se lleva a la parte superior de las torres de refrigeración, donde cae en forma de lluvia y se evapora en parte en contacto con el aire ascendente que entra por la base.
El resto del agua, que ha aportado el calor de evaporación, se recircula después al condensador. Este esquema se conoce como circuito cerrado de refrigeración.
En un circuito cerrado, el hipoclorito se utiliza para controlar el crecimiento biológico en el agua que se recircula. Como el agua pasa repetidamente por los mismos equipos, la acumulación de microorganismos o depósitos puede afectar de forma progresiva al funcionamiento del sistema.
Consumo y retorno del agua
En este caso, la cantidad de agua tomada del medio acuático es mucho menor, ya que solo se requiere la necesaria para reponer el agua evaporada en las torres de refrigeración.
Cada central nuclear tiene una concesión de consumo de agua. Por ejemplo, una central nuclear de 1.000 MW utiliza entre 15 y 20 hm3/año. De esta cantidad se devuelve al medio alrededor del 95%.
En todos los casos la devolución del agua al mar, río o embalse, se vigila de acuerdo con la normativa vigente y después de pasar a través de un sistema de enfriamiento, para que no haya un cambio térmico brusco en el ecosistema.
| Sistema | Recorrido del agua | Características principales |
|---|---|---|
| Circuito abierto | El agua se toma del mar, río, lago o embalse y se devuelve al medio. | No existe prácticamente consumo de agua, aunque sí utilización necesaria. |
| Circuito cerrado | El agua se recircula y se repone principalmente por evaporación. | La cantidad tomada del medio acuático es mucho menor. |
| Planta de hipoclorito | Se utiliza agua para preparar y dosificar una solución biocida. | Controla el crecimiento biológico en tomas, tuberías y equipos de refrigeración. |
Ejemplo de la central nuclear de Cofrentes
En el caso concreto de la central nuclear de Cofrentes -CN Cofrentes- se utiliza el sistema de refrigeración en circuito cerrado. El caudal medio del río Júcar, en la zona donde está situada la central, es de 43 m3/s, habiendo sido concedido para el uso de la misma un caudal de 1,1 m3/s, con una limitación anual de volumen máximo total consumido de 20 Hm3/año.
De este caudal, una parte, 0,75 m3/s, se evapora en las torres de tiro natural y el resto, 0,35 m3/s, retorna nuevamente al río a través de un único punto de vertido controlado y, tras una serie de análisis químicos y radioquímicos previos en los que se determina la potabilidad radiológica acorde con los requisitos exigidos por la Confederación Hidrográfica del Júcar, especificados en el “Reglamento de Vertidos de CN Cofrentes” validado por el Consejo de Seguridad Nuclear.
En la central se controlan y supervisan las características de los vertidos antes de proceder a su liberalización al río, con el fin de mantener la calidad del agua dentro de los límites fijados por la Autorización Administrativa correspondiente.
Este proceso se ve facilitado por el hecho de disponer de dos balsas de vertidos y un único punto de emisión. El tipo de refrigeración utilizado aísla sensiblemente la central del medio, por lo que los efectos térmicos y biológicos de ella sobre el río son prácticamente inapreciables.
Control de los vertidos con hipoclorito
La aplicación de hipoclorito modifica las características químicas del agua que atraviesa el sistema de refrigeración. Por este motivo, el agua debe analizarse antes de su liberación, especialmente cuando el circuito es abierto o cuando existe una purga del circuito cerrado.
El control puede incluir la determinación de la concentración de oxidantes residuales, la temperatura, el pH y otros parámetros químicos y radioquímicos establecidos por la autorización correspondiente. La finalidad es comprobar que el agua liberada cumple los límites aplicables y que no produce efectos adversos sobre el medio receptor.
En las centrales nucleares BWR y PWR, el agua de refrigeración se reutiliza depurándola. Los sistemas de reciclaje de agua utilizados en la industria nuclear se encuentran entre los más eficientes, capaces de recircular el agua indefinidamente, rellenada con agua nueva.
El agua se puede reutilizar en muchos procesos y las centrales nucleares cuentan con sistemas avanzados de reciclaje de agua que reducen el consumo de agua dulce. Pero, ¿qué sucede con el agua no reutilizable en los procesos nucleares?
Separación entre el agua de refrigeración y el agua radiactiva
En los BWR, el agua de enfriamiento es levemente radiactiva, pero se mantiene en la planta y se recircula en un circuito para enfriar los núcleos del reactor. El agua se trata con desmineralización, filtración y destilación.
En los PWR, el agua no entra en contacto con el núcleo, por lo que no está contaminada y puede liberarse al medio ambiente. Sin embargo, la liberación de agua nuclear, incluso cuando no está contaminada, en los cuerpos de agua generalmente es rechazada.
En ambos diseños, el agua utilizada por la planta de hipoclorito para tratar el agua de refrigeración no se convierte por ese motivo en agua del circuito primario. La clasificación y el tratamiento del agua dependen del circuito concreto por el que haya circulado y de los controles establecidos para la instalación.
El sistema de reciclaje trata el agua para eliminar el estroncio y los radionúclidos mediante filtración, destilación y vaporización. Filtrar el agua la descontamina a un nivel adecuado para su liberación o uso en otros procesos.
Agua pesada y circuitos independientes
La particularidad de Atucha I, Atucha II y Embalse es el uso de agua pesada. A simple vista es igual al agua común, pero sus moléculas contienen deuterio, un isótopo del hidrógeno que la hace levemente más pesada.
Esa diferencia resulta fundamental, ya que el agua pesada actúa como moderador y hace posible sostener la reacción en cadena utilizando uranio natural como combustible.
El agua del entorno también participa del proceso, aunque en un circuito independiente. Tomada del río o del lago, se utiliza para refrigerar la planta y retorna luego a su fuente, sin entrar en contacto con el reactor en ninguna etapa.
Esa es la razón por la que las centrales se ubican junto a grandes cuerpos de agua, como el Paraná de las Palmas en el caso de Atucha I y Atucha II, o el lago del río Tercero en el de Embalse.
Tratamiento del agua en los sistemas nucleares
El agua nuclear se recicla, se reutiliza, o el operador de la planta puede solicitar que se libere en un cuerpo de agua cercano al final de su vida útil. En cuanto a los sólidos, la planta los almacena de acuerdo con su nivel de riesgo.
Los desechos de actividad baja representan aproximadamente el 90 % de todos los desechos nucleares y pueden eliminarse a nivel del suelo, mientras que los desechos de actividad alta se almacenan a profundidades de hasta 5000 m.
El agua de las piscinas de combustible usado es de alta pureza -desmineralizada-, dispone de un método de aporte normal y de hasta cinco formas más de aportar agua en caso de emergencia. De esta forma evitaríamos la ebullición del agua en unas pocas horas.
Las piscinas tienen un sistema de purificación y limpieza del agua, además de instrumentación: medidores de nivel y temperatura, presión y caudal de las bombas, medidores de radiación para detectar fugas y otro sistema de detección de fugas del revestimiento de acero inoxidable.
Necesidad de agua y opciones de desalinización
La creciente escasez de agua potable es uno de los desafíos más apremiantes que enfrenta la humanidad en el siglo XXI. Con más de 2.000 millones de personas viviendo en áreas con estrés hídrico, la necesidad de soluciones sostenibles y accesibles se ha vuelto una prioridad global.
En este contexto, las centrales nucleares flotantes han surgido como una propuesta innovadora para abordar esta crisis, combinando tecnología nuclear y desalinización para satisfacer la demanda de agua dulce.
Las centrales nucleares flotantes son estructuras marítimas que albergan reactores nucleares capaces de generar electricidad y calor, con la posibilidad de ser utilizadas para alimentar a plantas desalinizadoras adyacentes en situaciones específicas de necesidad de agua potable.
Utilizando la energía generada por los reactores nucleares, se abastecen de electricidad y calor a plantas desalinizadoras que emplean métodos como la ósmosis inversa o la destilación para purificar el agua marina y hacerla apta para el consumo humano y agrícola.
La combinación de generación de energía nuclear, desalinización y sistemas de tratamiento del agua puede reducir la presión sobre las fuentes de agua dulce. Sin embargo, el agua de una planta de hipoclorito continúa siendo un flujo auxiliar, destinado principalmente al control biológico y al mantenimiento de los sistemas de refrigeración.
Ejemplo de una central nuclear flotante
La central nuclear flotante “Akademik Lomonosov” de Rusia es el ejemplo más destacado y se trata de un proyecto innovador desarrollado por Rusia que marca un hito en la tecnología nuclear y en la generación de energía.
Consiste en una plataforma flotante equipada con dos reactores nucleares tipo KLT-40S, similares a los utilizados en los rompehielos rusos, con una potencia de 35 MW cada uno y refrigerados por agua.
Están ubicados en el interior de un casco flotante reforzado, asegurando su estabilidad y seguridad, incluso en condiciones marítimas adversas. Akademik Lomonosov puede suministrar electricidad a áreas remotas y a regiones costeras donde se necesite un suministro fiable y constante.
Además, tiene capacidad de impulsar instalaciones de desalinización de agua de mar en caso de necesidad, utilizando parte de la energía generada para este proceso.
La capacidad para desalinizar agua de mar puede ser útil en regiones costeras con escasez hídrica, mientras que el hipoclorito puede emplearse en los sistemas de captación y refrigeración para controlar la actividad biológica propia del medio marino.
Importancia del control operativo
El uso del agua es un componente indispensable para el funcionamiento de la energía nuclear. En las plantas argentinas cumple distintas funciones según el circuito del que forme parte, dentro de un proceso diseñado con precisión y bajo control permanente.
Conocer el recorrido del agua dentro de una central permite comprender una de las claves del proceso de generación nucleoeléctrica, donde cada circuito cumple una función específica para producir energía de manera segura, eficiente y confiable.
La gestión del agua de una planta de hipoclorito debe integrarse con la vigilancia de los circuitos de refrigeración, el control de los vertidos, la protección de los equipos y el cumplimiento de los límites ambientales y radiológicos establecidos para cada instalación.
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