¿Qué es la eficiencia térmica de las centrales nucleares? Definición

Eficiencia térmica de centrales nucleares

La eficiencia térmica de la conversión de energía térmica en trabajo está determinada principalmente por la diferencia entre los depósitos de temperatura fría y caliente. La eficiencia térmica mejora si la entrada de calor del vapor a la turbina de vapor está a la temperatura más alta posible y el rechazo de calor en el condensador está a la temperatura más baja posible. La alta temperatura en un reactor de agua ligera generalmente está limitada por consideraciones de materiales y presión y la temperatura del sumidero está limitada por el ambiente.

Típicamente, la mayoría de las plantas de energía nuclear opera turbinas de vapor de condensación de etapas múltiples . En estas turbinas, la etapa de alta presión recibe vapor (este vapor es vapor casi saturado – x = 0.995 – punto C en la figura; 6 MPa ; 275.6 ° C) desde un generador de vapor y lo expulsa al separador-recalentador de humedad (punto D ) El vapor debe recalentarse para evitar daños que puedan ocasionar a las aspas de la turbina de vapor el vapor de baja calidad . El recalentador calienta el vapor (punto D) y luego el vapor se dirige a la etapa de baja presión de la turbina de vapor, donde se expande (punto E a F). El vapor agotado se condensa en el condensador y está a una presión muy por debajo de la atmosférica (presión absoluta de0.008 MPa ), y está en un estado parcialmente condensado (punto F), típicamente de una calidad cercana al 90%.

En este caso, los generadores de vapor, la turbina de vapor, los condensadores y las bombas de agua de alimentación constituyen un motor térmico, sujeto a las limitaciones de eficiencia impuestas por la segunda ley de la termodinámica . En el caso ideal (sin fricción, procesos reversibles, diseño perfecto), este motor térmico tendría una eficiencia de Carnot de

η = 1 – T _frío / T _caliente = 1 – 315/549 = 42.6%

donde la temperatura del depósito caliente es de 275.6 ° C (548.7K), la temperatura del depósito frío es de 41.5 ° C (314.7K). Pero la central nuclear es el motor térmico real , en el que los procesos termodinámicos son de alguna manera irreversibles. No se hacen infinitamente lento. En dispositivos reales (como turbinas, bombas y compresores) una fricción mecánica y pérdidas de calor causan pérdidas adicionales de eficiencia.

Por lo tanto, las centrales nucleares suelen tener una eficiencia de aproximadamente el 33%. En las centrales nucleares modernas, la eficiencia termodinámica general es de aproximadamente un tercio (33%), por lo que se necesitan 3000 MWth de energía térmica de la reacción de fisión para generar 1000 MWe de energía eléctrica.

Presión de la caldera

De acuerdo con el principio de Carnot, se pueden lograr mayores eficiencias aumentando la temperatura del vapor. Pero esto requiere un aumento de las presiones dentro de las calderas o generadores de vapor. Sin embargo, las consideraciones metalúrgicas ponen límites superiores a tales presiones. Para evitar la ebullición del refrigerante primario y proporcionar un margen de subenfriamiento (la diferencia entre la temperatura del presurizador y la temperatura más alta en el núcleo del reactor), las presiones alrededor de 16 MPa son típicas para los PWR . El recipiente a presión del reactor es el componente clave, que limita la eficiencia térmica de cada central nuclear, ya que el recipiente del reactor debe soportar altas presiones.

Desde este punto de vista, los reactores de agua supercríticos se consideran un avance prometedor para las centrales nucleares debido a su alta eficiencia térmica (~ 45% frente a ~ 33% para los LWR actuales). Los SCWR funcionan a presión supercrítica (es decir, superior a 22,1 MPa).

Presión del condensador

El caso de la disminución de la temperatura promedio a la cual se rechaza la energía, requiere una disminución de la presión dentro del condensador (es decir, la disminución de la temperatura de saturación ). La presión de condensador más baja posible es la presión de saturación correspondiente a la temperatura ambiente (es decir, presión absoluta de 0.008 MPa, que corresponde a 41.5 ° C). El objetivo de mantener la presión de escape de turbina práctica más baja es una razón principal para incluir el condensador en una central térmica. El condensador proporciona un vacío que maximiza la energía extraída del vapor, lo que resulta en un aumento significativo en el trabajo neto y la eficiencia térmica. Pero también este parámetro (presión del condensador) tiene sus límites de ingeniería:

• Disminuir la presión de escape de la turbina disminuye la calidad del vapor (o fracción de sequedad). En algún momento, se debe finalizar la expansión para evitar daños que puedan ser causados ​​a las aspas de la turbina de vapor por vapor de baja calidad .
• La disminución de la presión de escape de la turbina aumenta significativamente el volumen específico de vapor extraído, lo que requiere palas enormes en las últimas filas de la etapa de baja presión de la turbina de vapor.

En las turbinas de vapor húmedo típicas, el vapor agotado se condensa en el condensador y está a una presión muy inferior a la atmosférica (presión absoluta de 0.008 MPa, que corresponde a 41.5 ° C). Este vapor está en un estado parcialmente condensado (punto F), típicamente de una calidad cercana al 90%. Tenga en cuenta que siempre hay una diferencia de temperatura entre (alrededor de ΔT = 14 ° C) la temperatura del condensador y la temperatura ambiente, que se origina en el tamaño finito y la eficiencia de los condensadores.