Reactor nuclear

Un reactor nuclear es una instalación capaz de iniciar, controlar y mantener las reacciones nucleares (generalmente de fisión nuclear) en cadena que se produzcan en el núcleo de esta instalación.

La composición del reactor nuclear está formada por el combustible nuclear, el refrigerante, los elementos de control, los materiales estructurales y, en el caso de que se trate de un reactor nuclear térmico, el moderador.

Los reactores nucleares se pueden clasificar como reactores térmicos y reactores rápidos.

Los reactores térmicos son aquellos que funcionan retrasando (moderando) los neutronesmás rápidos o incrementando la proporción de átomos fisibles. Para ralentizar estos neutrones, llamados neutrones lentos, se necesita un moderador que puede ser agua ligera, agua pesada o grafito.

Los reactores rápidos son los que no necesitan moderar la velocidad de los electrones y utilizan neutrones rápidos.

Para construir un reactor nuclear es necesario disponer de combustible nuclear suficiente, que llamamos masa crítica. Tener suficiente masa crítica significa disponer de suficiente material fisible en óptimas condiciones para mantener una reacción en cadena.

La disposición de absorbentes de neutrones y de las barras de control permite controlar la reacción en cadena y la parada y puesta en funcionamiento del reactor nuclear.

En el núcleo del reactor se produce y mantiene la reacción nuclear en cadena con el objetivo de calentar el agua que se utilizará para accionar las turbinas de la central.

El primer reactor nuclear de la historia de la energía nuclear fue diseñado y puesto en marcha por el premio Nobel de Física Enrico Fermi bajo las gradas del campo de rugby de la Universidad de Chicago el 2 de diciembre de 1942. Era de sólo medio Watt de potencia pero sirvió para demostrar que un reactor nuclear era técnicamente posible. Fue usado como instalación piloto de los reactores diseñados para fabricar plutonio para la bomba atómica del Proyecto Manhattan de la Segunda Guerra Mundial.

Componentes del núcleo del reactor nuclear

Un reactor nuclear está formado por los siguientes componentes:

Combustible nuclear

El combustible nuclear es un material con capacidad de fisionarse lo suficiente como para llegar a la masa crítica, es decir, para mantener una reacción nuclear en cadena. Se coloca de manera que se pueda extraer rápidamente la energía térmica que produce esta reacción nuclear encadenada.

En las centrales nucleares se utilizacombustible nuclear sólido. Los combustibles nucleares varían dependiendo del tipo de reactor pero generalmente se utilizan derivados del uranio.

En general, un elemento de combustible está constituido por una disposición cuadrangular de las varillas del combustible. Aunque el reactor nuclear ruso de agua a presión VVER está constituido por una disposición hexagonal.

Los tubos guía se sujetan a las rejillas de soporte de combustible, de esta forma se consigue mantener los centros de las varillas de combustible y los tubos guía a la misma distancia.

El diseño mecánico de los diferentes elementos de combustible es idéntico. Algunos contienen haces de barras de control y otros contienen venenos consumibles o fuentes neutrónicas.

Barras de combustible nuclear

Son el lugar físico donde se confina elcombustible nuclear. Algunas barras de combustible contienen el Uranio mezclado en Aluminio bajo la forma de láminas planas separadas por una cierta distancia que permite la circulación de fluido para disipar el calor generado.

Las láminas se ubican en una especie de caja que les sirve de soporte.

Núcleo del reactor

Está constituido por las barras de combustible. El núcleo posee una forma geométrica que le es característica, refrigerado por un fluido, generalmente agua.

En algunos reactores el núcleo se ubica en el interior de una piscina con agua, a unos 10 a 12 metros de profundidad, o bien al interior de una vasija de presión construida en acero.

Barras de control

Los haces de barras de control proporcionan un medio rápido para controlar la reacción nuclear en cadena. Permiten realizar cambios rápidos de potencia del reactor y su parada eventual en caso de emergencia. Están fabricadas con materiales absorbentes de neutrones(carburo de boro o aleaciones de plata, indio y cadmio, entre otros) y suelen tener las mismas dimensiones que los elementos de combustible. La reactividad del núcleo aumenta o disminuye subiendo o bajando las barras de control, es decir, modificando la presencia de material absorbente de neutrones contenido en ellas en el núcleo.

Para que un reactor funcione durante un periodo de tiempo tiene que tener un exceso de reactividad, que es máximo con el combustible fresco y va disminuyendo con la vida del mismo hasta que se anula, momento en el que se hace la recarga del combustible.

En funcionamiento normal, un reactor nuclear tiene las barras de control total o parcialmente extraídas del núcleo, pero el diseño de las centrales nucleares es tal que ante un fallo en un sistema de seguridad o de control del reactor, siempre actúa en el sentido de seguridad de reactor introduciéndose totalmente todas las barras de control en el núcleo del reactor y llevando el reactor a parada segura en pocos segundos.

Moderador

Los neutrones resultantes de una reacción defisión nuclear tienen una elevada energía cinética (adquieren mucha velocidad). Cuanto más alta sea su velocidad es menos probable que fisionen otros átomos de modo que conviene reducir esta velocidad para incentivar nuevas reacciones en cadena. Esto se consigue mediante choques elásticos de los neutrones con los núcleos del elemento que hace de moderador.

Entre los moderadores más utilizados están el agua ligera, el agua pesada y el grafito.

Refrigerante

Para poder aprovechar la energía térmica que desprenden las reacciones fisión nuclear se utiliza un refrigerante. La función del refrigerante es absorver dicha energía térmica y transportarla. El refrigerante debe ser anticorrosivo, con una gran capacidad calorífica y no debe absorber neutrones.

Los refrigerantes más usuales son gases, como el anhídrido carbónico y el helio, y líquidos como el agua ligera y el agua pesada. Incluso hay algunos compuestos orgánicos y metales líquidos como el sodio, que también se utilicen para esta función.

Reflector

En una reacción nuclear en cadena, un cierto número de neutrones tiende a escapar de la región donde ésta se produce. Esta fuga de neutrones puede minimizarse con la existencia de un medio reflector que les vuelva a dirigir dentro de la región de reacción. De esta forma se consigue aumentar la eficiencia del reactor nuclear. El medio reflector que rodea al núcleo debe tener una baja sección eficaz de captura para no reducir el número de neutrones y que se reflejen el mayor número posible de ellos.

La elección del material depende del tipo de reactor nuclear. Si tenemos un reactor térmico, el reflector puede ser el moderador, pero si tenemos un reactor rápido el material del reflector debe tener una masa atómica grande para que los neutrones se reflejen en el núcleo con su velocidad original (dispersión in-elástica).

Blindaje

Cuando el reactor esté en operación, se genera gran cantidad de radiación. Es necesaria una protección para aislar a los trabajadores de la instalación de las radiaciones ocasionadas por los productos de fisión.

Por ello, se coloca un blindaje biológico alrededor del reactor para interceptar estas emisiones.

Los materiales más usados para construir este blindaje son el hormigón, el agua y el plomo.

Usos de los reactores nucleares

La tecnología de los reactores nucleares comenzó a desarrollarse con fines bélicos pero a partir de los años cincuenta se comenzó a diversificar para fines civiles, en especial para la producción de energía eléctrica.

En los últimos años, por los problemas de sostenibilidad que presentan los combustibles fósiles de las centrales térmicas, y por la independencia que representaría respecto a lasenergías renovables como la energía solar; ha ido creciendo el interés por los reactores defisión nuclear primero y luego por los de fusión nuclear como medio para obtener energía eléctrica. El inconveniente es que la investigación sobre la fusión nuclear es muy cara, ya que incluye instalaciones muy costosas y que no aportan resultados inmediatos, por lo que los proyectos tienen carácter internacional (como el proyecto ITER) entre varios países muy ricos y tecnológicamente muy desarrollados . Los recursos económicos de que se disponen no son tampoco los mismos que tienen las investigaciones con fines militares.

Las aplicaciones de los reactores nucleares de fisión básicamente se engloban en:

• Producción de calor (energía térmica), que se emplea directamente o para producir vapor a partir de agua. El vapor de agua generado se utiliza para obtener trabajo mecánico (turbina), para producir agua dulce a partir de agua de mar (desalinización), para producir hidrógeno por electrólisis a alta temperatura, etc. El trabajo mecánico puede ser usado directamente o para producir energía eléctrica con un alternador (central nuclear), 
• Propulsión naval de embarcaciones rompehielos, submarinos nucleares, portaaviones militares, etc. Se investiga a usarlos también para la propulsión de cohetes.
• Producción de plutonio, que se puede usar con fines militares, como por ejemplo enbombas atómicas o no, como por ejemplo el combustible MOX, hecho con óxidos deplutonio y de uranio empobrecido y que se puede usar en algunos reactores PWR. En este último caso, en principio el concepto es el inverso, en los años 90 se empiezan a crear centrales nucleares que usan como combustible nuclear los residuos nucleares radiactivos de otras centrales nucleares, que resultan ser el plutonio (el MOX en un 7% aproximadamente ) y el uranio "empobrecido" (el MOX en torno a un 93%) resultante del proceso de enriquecimiento de uranio.
• Producción de isótopos radiactivos, utilizados ​​en construcción (americio de los detectores de humo), en medicina (Cobalto-60), en investigación, etc.
• Producción de neutrones libres que se utilizan ​​en la investigación y en medicina.
• Producción de bombas de neutrones, usadas con fines militares.

La construcción de reactores grandes siempre termina necesitando más tiempo y dinero de lo que se espera inicialmente.

Los reactores nucleares de fusión están todos aún en fase de investigación y desarrollo, una de las futuras aplicaciones más importantes que se espera de ellos es la producción de electricidad.

caracteristicas de la fision nuclear

Fisión nuclear

Para poder obtener energía manipulando los núcleos de un o varios átomos podemos hacerlo de dos formas distintas: uniendo núcleos de átomosdistintos (entonces hablamos de fusión nuclear) o partiendo núcleos de un determinado átomo (caso de la fisión nuclear)

En energía nuclear llamamos fisión nuclear a la división del núcleo de un átomo. El núcleo se convierte en diversos fragmentos con una masa casi igual a la mitad de la masa original más dos o tres neutrones.

La suma de las masas de estos fragmentos es menor que la masa original. Esta 'falta' de masas (alrededor del 0,1 por ciento de la masa original) se ha convertido en energía según la ecuación de Einstein(E=mc²). En esta ecuación E corresponde a la energía obtenida, m a la masa de la que hablamos y c es una constante, la de la velocidad de la luz: 299.792.458 m/s².

La fisión nuclear puede ocurrir cuando unnúcleo de un átomo pesado captura un neutrón (fisión inducida), o puede ocurrir espontáneamente debido a la inestabilidad delisótopo (fisión espontánea).

Reacciones nucleares en cadena

Una reacción en cadena es un proceso mediante el cual losneutrones que se han liberado en una primera fisión nuclear producen una fisión adicional en al menos un núcleo más. Este núcleo, a su vez produce neutrones, y el proceso se repite.

Estas reacciones en cadena pueden ser controladas o incontroladas. Las reacciones controladas serian las reacciones nucleares producidas en centrales nucleares en que el objetivo es generar energía eléctrica de forma constante. Las reacciones nucleares incontroladas se dan en el caso de armas nucleares.

Si en cada fisión provocada por un neutrón se liberan dos neutrones más, entonces el número de fisiones se duplica en cada generación. En este caso, en 10 generaciones hay 1.024 fisiones y en 80 generaciones aproximadamente 6 x 10²³ fisiones.

Masa crítica

La masa crítica es la cantidad mínima de material fisionable para que se mantenga una reacción nuclear en cadena.

Aunque en cada fisión nuclear  se producen entre dos y tres neutrones, no todos neutrones están disponibles para continuar con la reacción de fisión; algunos se pierden. Si losneutrones liberados por cada reacción nuclear se pierden a un ritmo más rápido de lo que se forman por la fisión, la reacción en cadena no será autosostenible y se detendrá.

La cantidad de masa crítica de un material fisionable depende de varios factores: propiedades físicas, propiedades nucleares, de su geometría y de su pureza.

Una esfera tiene la superficie mínima posible para una masa dada, y por tanto, reduce al mínimo la fuga de neutrones. Si además bordeamos el material fisionable con un reflector de neutrones se pierden muchos menos neutrones y se reduce la masa crítica.

La fisión nuclear controlada

Para mantener un control sostenido de reacción nuclear, por cada 2 o 3 neutrones puestos en libertad, sólo a uno se le debe permitir dar a otro núcleo de uranio. Si esta relación es inferior a uno entonces la reacción va a morir, y si es más grande va a crecer sin control (una explosión atómica). Para controlar la cantidad de neutrones libres en el espacio de reacción debe estar presente un elemento de absorción de neutrones. La mayoría de los reactores son controlados por medio de barras de control hechas de neutrones de un fuerte material absorbente, como el boro o el cadmio.

Además de la necesidad de capturar neutrones, los neutrones a menudo tienen mucha energía cinética (se mueven a gran velocidad). Estos neutrones rápidos se reducen a través del uso de un moderador, como el agua pesada y el agua corriente. Algunos reactores utilizan grafito como moderador, pero este diseño tiene varios problemas. Una vez que los neutrones rápidos se han desacelerado, son más propensos a producir más fisiones nucleares o ser absorbidos por las barra de control.

Fisión nuclear espontánea

En este tipo de reacciones no es necesaria la absorción de un neutrón exterior. En determinadosisótopos del uranio, y sobretodo del plutonio, tienen una estructura atómica tan inestable que se fissiona espontáneamente.

La tasa de la fisión nuclear espontánea es la probabilidad por segundo que un átomo dado se fisione de forma espontánea - es decir, sin ninguna intervención externa. El plutonio 239 tiene una muy alta tasa de fisión espontánea en comparación con la tasa de fisión espontánea deuranio 235.

EL ÁTOMO: RESEÑA HISTÓRICA Los filósofos griegos discutieron mucho sobre la naturaleza de la materia y concluyeron que el mundo era más sencillo de lo que parecía. En el siglo V a.C., Leucipo pensaba que sólo había un tipo de materia. Sostenía, además, que si dividíamos la materia en partes cada vez más pequeñas, acabaríamos encontrando una porción que no se podría seguir dividiendo. Un discípulo suyo, Demócrito, bautizó a estas partes indivisibles de materia con el nombre de átomos, término que en griego significa “que no se puede dividir”. Empédocles estableció que la materia estaba formada por 4 elementos: tierra, agua, aire y fuego. Aristóteles negó la existencia de los átomos de Demócrito y reconoció la teoría de los 4 elementos, que, gracias al prestigio que tenía, se mantuvo vigente en el pensamiento de la humanidad durante 2000 años. Hoy sabemos que aquellos 4 elementos iniciales no forman parte de los 106 elementos químicos actuales. El concepto de átomo, tal y como lo conocemos actualmente, fue propuesto en 1661 por Robert Boyle, en oposición a los tradicionales 4 elementos fundamentales (agua, aire, fuego y tierra). En su definición, Boyle defendía que la materia estaba compuesta por diferentes partículas, que le permitían avanzar en la diferenciación entre compuestos y mezclas. A pesar de ello, no fue más allá en su conjetura acerca de las partículas. Un siglo más tarde (en 1789) Antoine Laurent Lavoisier postula la ley química de conservación de la masa, en que: en un proceso químico, la suma de las masas de los elementos químicos que reaccionan es igual a la suma de las masas de los productos de la reacción. Y por necesidad define el termino “elemento químico” como la substancia básica indivisible podemos. Posteriormente, en el año 1897 se descubre el electrón, una de las partículas subatómicas que conforma el átomo. En 1898 Thomson propuso un modelo atómico que tomaba en cuenta la existencia de dicha partícula subatómica. Su modelo era estático, ya que suponía que los electrones estaban en reposo dentro del átomo, y que el conjunto era eléctricamente neutro. El modelo de Thomson era parecido a un pastel de frutas: los electrones estaban incrustados en una masa esférica de carga positiva. La carga negativa total de los electrones era la misma que la carga total positiva de la esfera, por lo que dedujo que el átomo era neutro. Thomson también explicó la formación de iones, tanto positivos como negativos. Cuando el átomo pierde algún electrón, la estructura queda positiva y se forman iones positivos; pero si el átomo gana algún electrón, la estructura queda negativa y se forman iones negativos.