Un reactor nuclear es un recipiente que alberga reacciones nucleares controladas con el propósito de generar calor para la producción de electricidad, propulsión marina, calefacción industrial, obtención de combustible nuclear, preparación de isótopos radiactivos para medicina o ensayos industriales, producción de materiales nucleares como plutonio o tritio, y fabricación de materiales temporalmente radiactivos.
Aunque pueden tener múltiples funciones, los reactores más grandes suelen estar diseñados para un propósito específico.
Un reactor nuclear es una unidad o recipiente, incluidos el equipo y el material asociados, en el que se producen reacciones nucleares controladas con diversos fines. Estas reacciones generalmente implican reacciones en cadena de fisión nuclear controlada con un flujo de neutrones. Estos fines pueden incluir la generación de calor para la generación de electricidad, la propulsión marina o la calefacción de plantas industriales u otras instalaciones; la obtención de combustible nuclear; la preparación de isótopos radiactivos para su uso en la medicina nuclear, los ensayos industriales o la creación de fuentes de radiación controladas; la producción de materiales nucleares como el plutonio o el tritio; o la fabricación de materiales temporalmente radiactivos para procedimientos como el análisis de activación de neutrones. Aunque puede haber cierta superposición de funciones, los reactores más grandes tienden a ser optimizados para un solo propósito; parte de los fallos de diseño que causaron el desastre de Chernóbil fue que el reactor trató de ser igualmente eficaz para la generación de energía eléctrica y de plutonio.
Para la generación de energía, los reactores nucleares son la pieza central de las centrales nucleares. Hasta ahora, los reactores nucleares para la generación de energía a gran escala utilizan la energía liberada por la fisión nuclear, que es altamente exotérmica, lo que significa que cada fisión libera una cantidad relativamente grande de calor por división de átomo. Estas reacciones de fisión nuclear tienen lugar mediante una reacción nuclear en cadena controlada en el núcleo del reactor dentro del reactor. El material que sufre la fisión en el núcleo se considera el combustible nuclear. El combustible nuclear consiste en isótopos fisionables, átomos de isótopos de alto número y masa atómica que pueden fisionarse fácilmente para producir una reacción nuclear en cadena. Los tres isótopos fisionables más comunes son el uranio-235 (235U o U-235), el plutonio-239 (239Pu o Pu-239) y el uranio-233 (233U o U-233). El material que puede ser reproducido en tales isótopos fisionables también puede ser considerado como combustible nuclear. Por ejemplo, el uranio-238 (238U o U-238) puede criarse para producir plutonio-239 y el torio-232 (232Th o Th-232) puede criarse para producir uranio-233. Los reactores nucleares en los que tiene lugar este tipo de cría se llaman reactores reproductores nucleares.
La fisión nuclear ocurre típicamente cuando un neutrón golpea un núcleo fisionable, dividiendo el núcleo en dos núcleos más pequeños llamados productos de fisión nuclear y un par de neutrones. Estos neutrones recién liberados pueden entonces pasar a causar una mayor fisión de otros núcleos fisionables, liberando más neutrones. Un ciclo repetitivo de fisiones y neutrones da lugar a una reacción en cadena en las condiciones adecuadas, que es el objetivo de un reactor de fisión nuclear. En un reactor en funcionamiento de este tipo, hay muchos neutrones volando alrededor del núcleo, y la concentración de estos neutrones se denomina a menudo flujo de neutrones. Las numerosas fisiones nucleares en un núcleo de reactor en funcionamiento liberan calor, que se utiliza como energía térmica, el objetivo final habitual del reactor. Un reactor tiene varias barras de control que consisten en un material que captura neutrones. Estas barras de control pueden retirarse o insertarse en el núcleo para controlar la reacción nuclear en cadena. Al insertar todas las barras de control en el núcleo se capturan los neutrones y se detiene la reacción en cadena, apagando efectivamente el reactor. Una rápida inserción de las barras de control en el núcleo para una parada de emergencia del reactor se llama "scram". Retirar las barras de control de forma precisa se utiliza para poner en marcha el reactor. También hay otros medios utilizados para controlar el nivel de potencia de un reactor nuclear.
Núcleo
El núcleo de un reactor de fisión contiene elementos de combustible, que son como "estructuras de paquete" que contienen el combustible de fisión nuclear encerrado en un revestimiento. El revestimiento es un material sólido y un límite de presión que mantiene el combustible nuclear y cualquier producto de fisión creado dentro de cada elemento de combustible. El revestimiento es típicamente una aleación metálica llamada zircalloy que consiste en gran parte en el elemento químico metálico zirconio, que tiene una sección transversal de baja absorción de neutrones, una baja afinidad por la absorción de neutrones. La aleación de circonio también es razonablemente fuerte, resistente a la corrosión y capaz de soportar una temperatura suficientemente alta para el funcionamiento del reactor. Una estructura común para un elemento de combustible ha sido tener un tubo de zircalloy usado como revestimiento para contener pequeños gránulos cilíndricos de combustible nuclear en toda la longitud del tubo contenido en el núcleo. Los elementos de combustible se suelen ensamblar en haces llamados módulos de combustible; hay varios de esos módulos de combustible en el interior del núcleo de un reactor. El fluido refrigerante del reactor y un moderador de neutrones rodean los elementos de combustible en el núcleo. El mismo material puede servir como refrigerante del reactor y como moderador. Una o más barras de control, que pueden deslizarse hacia adentro y hacia afuera, se insertan comúnmente en los módulos de combustible entre los elementos de combustible. Para ayudar a que el combustible del núcleo se queme de manera más uniforme, se suelen colocar en algunos lugares estratégicos del interior del núcleo pequeñas "bolitas" de veneno que absorben neutrones, que suelen contener boro-10 (10B o B-10). Aunque el combustible inicial puede no ser particularmente radiactivo, una vez que el núcleo del reactor se ha vuelto crítico (ha estado funcionando), los productos de fisión resultantes hacen que los elementos del combustible sean muy altamente radiactivos.
El revestimiento de cada elemento de combustible debe mantener su integridad, a fin de no derramar ningún material radiactivo en el refrigerante o en el resto de la planta del reactor. El revestimiento tampoco debe hincharse, estrechando el canal de refrigerante del reactor entre los elementos de combustible, para no ralentizar el flujo de refrigerante, lo que permitiría que el calor y la temperatura se acumularan alrededor de ese canal. Esto significa que el revestimiento de aleación de circonio no puede alcanzar una temperatura excesivamente alta. Por esta razón y para evitar una ebullición indeseada en los reactores de agua a presión, el nivel de potencia del reactor está limitado operacionalmente.
Moderadores de neutrones
La probabilidad de que ocurra una fisión depende del tipo de núcleo fisionable y de la energía cinética del neutrón que colisiona, que es efectivamente proporcional a la velocidad del neutrón al cuadrado. Los neutrones que se producen directamente de la fisión son típicamente neutrones rápidos. Para mantener una reacción en cadena de fisión buena y eficaz, es conveniente que un neutrón que golpee un núcleo fisionable cause fisión y reduzca al mínimo la incidencia de que el núcleo fisionable capture el neutrón. Los neutrones de movimiento lento son más efectivos para causar fisión. Las colisiones de neutrones más rápidos con núcleos pequeños ralentizan el neutrón. Un material que contiene tales núcleos que ralentizan los neutrones es un neutrón moderador. Los neutrones lentos que tienen una energía cinética aproximadamente igual a la energía térmica de las moléculas circundantes se denominan neutrones térmicos. El proceso de ralentizar los neutrones más rápidos hasta tal energía térmica con un moderador puede ser llamado termalización de los neutrones.
Los núcleos más pequeños se encuentran en los átomos de hidrógeno-1 (1H o H-1, también llamado hidrógeno ligero o protio) y ralentizan los neutrones para que se fisionen mejor. Los núcleos H-1 tienen una pequeña tendencia a capturar neutrones también, pero de todas formas son lo suficientemente buenos para mantener una reacción en cadena de fisión si se utiliza uranio modestamente enriquecido como combustible nuclear. La forma más fácil de usar el H-1 como moderador es usar agua normal purificada (llamada agua ligera) como moderador y refrigerante para llevar el calor simultáneamente. El hidrógeno en esa agua ligera es prácticamente 100% H-1. Un reactor nuclear que usa esa agua ligera se llama reactor de agua ligera, por supuesto.
Los segundos núcleos más pequeños se encuentran en los átomos de hidrógeno-2 (2H, H-2 o D, también llamado hidrógeno pesado o deuterio) y los neutrones moderados para la fisión también bastante bien. La tendencia de los núcleos de H-2 a capturar neutrones es prácticamente insignificante, lo que es lo suficientemente bueno para mantener una reacción en cadena de fisión incluso con uranio no enriquecido. Del mismo modo, la forma más fácil de utilizar el H-2 como moderador es utilizar agua pesada purificada (óxido de deuterio, a menudo simbolizado como D2O) como moderador y refrigerante. El agua pesada contiene átomos de H-2 en lugar de H-1. Un reactor nuclear que utiliza agua pesada se llama análogamente un reactor de agua pesada.
El carbono de abundancia isotópica natural es un sólido principalmente de carbono-12 (12C o C-12) y capaz de soportar una temperatura muy alta en ausencia de oxígeno. El carbono puede utilizarse en forma de grafito como moderador, pero no como refrigerante ya que el sólido no fluye. Algún fluido, como el agua, se utilizaría entonces como refrigerante del reactor para arrastrar el calor producido. Los reactores RBMK de los países de la antigua Unión Soviética utilizaban carbono como moderador.
Refrigeración
Los reactores de cualquier tamaño apreciable están refrigerados por líquido o gas. El refrigerante líquido más común es el agua altamente purificada, o "agua ligera" para diferenciarla del agua pesada. La refrigeración por agua pesada, que desempeña un papel en la moderación, tiene aplicaciones específicas en los reactores que producen plutonio o tritio. En algunos reactores productores de energía, se ha seguido experimentando con el sodio líquido, que tiene ventajas para la transferencia de calor.
Vigilancia
Los reactores designados para fines pacíficos están bajo la inspección del Organismo Internacional de Energía Atómica, que realiza inspecciones físicas, y también instala sellos no tripulados pero a prueba de manipulaciones en ciertos componentes del reactor, así como cámaras in situ y otros instrumentos.
Los reactores soviéticos productores de plutonio liberaron 85 criptones, detectables por muestreo de aire.
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Preguntas de los visitantes
Funcionamiento del reactor nuclear
Nombre: Santiago - Fecha: 05/05/2023
Hola, me gustaría saber más sobre el funcionamiento del reactor nuclear. ¿Podrían proporcionar información detallada al respecto? ¡Gracias!
Respuesta
El funcionamiento del reactor depende del tipo de reactor del que estemos hablando. De manera general, podemos decir que un reactor es un dispositivo que se utiliza para llevar a cabo reacciones químicas o físicas.
Por ejemplo, en el caso de un reactor nuclear, el funcionamiento se basa en la fisión del núcleo de un átomo, lo que genera una gran cantidad de energía térmica que se utiliza para producir vapor y, posteriormente, generar electricidad.
Por otro lado, en el caso de un reactor químico, el funcionamiento se basa en la mezcla de reactivos en condiciones controladas de temperatura, presión y concentración, lo que permite la formación de productos deseados.
En ambos casos, el funcionamiento del reactor se lleva a cabo mediante un conjunto de equipos y sistemas auxiliares que permiten controlar las condiciones de operación y garantizar la seguridad del proceso.
