El dispositivo y el principio de funcionamiento de un reactor nuclear se basan en la inicialización y el control de una reacción nuclear autosuficiente. Se utiliza como herramienta de investigación, para la producción de isótopos radiactivos y como fuente de energía para plantas de energía nuclear.
Reactor nuclear: cómo funciona (brevemente)
Aquí se utiliza el proceso de fisión nuclear, en el que un núcleo pesado se rompe en dos fragmentos más pequeños. Estos fragmentos se encuentran en un estado muy excitado y emiten neutrones, otras partículas subatómicas y fotones. Los neutrones pueden provocar nuevas fisiones, por lo que se emiten más neutrones, y así sucesivamente. Esta serie continua de divisiones autosuficientes se denomina reacción en cadena. Al mismo tiempo, se libera una gran cantidad de energía, cuya producción es el propósito de usar plantas de energía nuclear.
El principio de funcionamiento de un reactor nuclear y una central nuclear es tal que aproximadamente el 85 % de la energía de fisión se libera en un período de tiempo muy corto después del inicio de la reacción. El resto se produce enel resultado de la desintegración radiactiva de los productos de fisión después de haber emitido neutrones. La desintegración radiactiva es el proceso por el cual un átomo alcanza un estado más estable. Continúa incluso después de completar la división.
En una bomba atómica, la reacción en cadena aumenta en intensidad hasta que la mayor parte del material se divide. Esto sucede muy rápidamente, produciendo las explosiones extremadamente poderosas características de tales bombas. El dispositivo y el principio de funcionamiento de un reactor nuclear se basan en mantener una reacción en cadena a un nivel controlado, casi constante. Está diseñado de tal manera que no puede explotar como una bomba atómica.
Reacción en cadena y criticidad
La física de un reactor de fisión nuclear es que la reacción en cadena está determinada por la probabilidad de fisión nuclear después de la emisión de neutrones. Si la población de estos últimos disminuye, la tasa de fisión eventualmente caerá a cero. En este caso, el reactor estará en un estado subcrítico. Si la población de neutrones se mantiene a un nivel constante, la tasa de fisión permanecerá estable. El reactor estará en estado crítico. Y finalmente, si la población de neutrones crece con el tiempo, la tasa de fisión y la potencia aumentarán. El núcleo se volverá supercrítico.
El principio de funcionamiento de un reactor nuclear es el siguiente. Antes de su lanzamiento, la población de neutrones es cercana a cero. Luego, los operadores retiran las barras de control del núcleo, aumentando la fisión nuclear, lo que se traduce temporalmentereactor al estado supercrítico. Después de alcanzar la potencia nominal, los operadores devuelven parcialmente las barras de control, ajustando el número de neutrones. En el futuro, el reactor se mantiene en un estado crítico. Cuando es necesario detenerlo, los operadores insertan las varillas por completo. Esto suprime la fisión y lleva el núcleo a un estado subcrítico.
Tipos de reactores
La mayoría de las instalaciones nucleares del mundo generan energía y generan el calor necesario para hacer girar las turbinas que impulsan los generadores de energía eléctrica. También hay muchos reactores de investigación y algunos países tienen submarinos de propulsión nuclear o barcos de superficie.
Plantas eléctricas
Hay varios tipos de reactores de este tipo, pero el diseño de agua ligera ha encontrado una amplia aplicación. A su vez, puede utilizar agua a presión o agua hirviendo. En el primer caso, el líquido a alta presión es calentado por el calor del núcleo y entra al generador de vapor. Allí, el calor del circuito primario se transfiere al secundario, que también contiene agua. El vapor eventualmente generado sirve como fluido de trabajo en el ciclo de la turbina de vapor.
El reactor de ebullición funciona según el principio de un ciclo de energía directo. El agua, que pasa a través de la zona activa, se lleva a ebullición a un nivel de presión promedio. El vapor saturado pasa a través de una serie de separadores y secadores ubicados en la vasija del reactor, que lo lleva aestado sobrecalentado. El vapor de agua sobrecalentado se usa luego como fluido de trabajo para hacer girar una turbina.
Enfriado por gas a alta temperatura
El Reactor de Alta Temperatura Refrigerado por Gas (HTGR) es un reactor nuclear cuyo principio de funcionamiento se basa en el uso de una mezcla de grafito y microesferas de combustible como combustible. Hay dos diseños en competencia:
- Sistema de "relleno" alemán que utiliza pilas de combustible esféricas de 60 mm de diámetro, que son una mezcla de grafito y combustible en una carcasa de grafito;
- Versión americana en forma de prismas hexagonales de grafito que se entrelazan para formar una zona activa.
En ambos casos, el refrigerante consiste en helio a una presión de unas 100 atmósferas. En el sistema alemán, el helio pasa a través de huecos en la capa de elementos combustibles esféricos, y en el sistema americano, a través de agujeros en prismas de grafito ubicados a lo largo del eje de la zona central del reactor. Ambas opciones pueden operar a temperaturas muy altas, ya que el grafito tiene una temperatura de sublimación extremadamente alta, mientras que el helio es completamente inerte químicamente. El helio caliente se puede aplicar directamente como fluido de trabajo en una turbina de gas a alta temperatura, o su calor se puede usar para generar vapor del ciclo del agua.
Reactor nuclear de metal líquido: esquema y principio de funcionamiento
Los reactores de neutrones rápidos con refrigerante de sodio recibieron mucha atención en las décadas de 1960 y 1970. Entoncesparecía que su capacidad para reproducir combustible nuclear en un futuro próximo era necesaria para la producción de combustible para la industria nuclear en rápido desarrollo. Cuando quedó claro en la década de 1980 que esta expectativa no era realista, el entusiasmo se desvaneció. Sin embargo, se han construido varios reactores de este tipo en EE. UU., Rusia, Francia, Gran Bretaña, Japón y Alemania. La mayoría de ellos funcionan con dióxido de uranio o su mezcla con dióxido de plutonio. En Estados Unidos, sin embargo, el mayor éxito ha sido con los combustibles metálicos.
CANDU
Canadá ha centrado sus esfuerzos en los reactores que utilizan uranio natural. Esto elimina la necesidad de que su enriquecimiento recurra a los servicios de otros países. El resultado de esta política fue el reactor de deuterio-uranio (CANDU). El control y el enfriamiento en él se realizan con agua pesada. El dispositivo y principio de funcionamiento de un reactor nuclear es utilizar un tanque con D2O frío a presión atmosférica. El núcleo está perforado por tuberías hechas de aleación de circonio con combustible de uranio natural, a través de las cuales lo enfría agua pesada. La electricidad se produce transfiriendo el calor de fisión del agua pesada al refrigerante que circula a través del generador de vapor. El vapor del circuito secundario pasa luego por el ciclo normal de la turbina.
Instalaciones de investigación
Para la investigación científica, se usa con mayor frecuencia un reactor nuclear, cuyo principio es usar refrigeración por agua yelementos combustibles de uranio laminar en forma de conjuntos. Capaz de operar en una amplia gama de niveles de potencia, desde unos pocos kilovatios hasta cientos de megavatios. Dado que la generación de energía no es la tarea principal de los reactores de investigación, se caracterizan por la energía térmica generada, la densidad y la energía nominal de los neutrones en el núcleo. Son estos parámetros los que ayudan a cuantificar la capacidad de un reactor de investigación para realizar estudios específicos. Los sistemas de baja potencia se utilizan normalmente en las universidades con fines docentes, mientras que los sistemas de alta potencia se necesitan en los laboratorios de I+D para pruebas de materiales y rendimiento e investigación general.
El reactor nuclear de investigación más común, cuya estructura y principio de funcionamiento son los siguientes. Su zona activa se encuentra en el fondo de una gran piscina profunda de agua. Esto simplifica la observación y la colocación de canales a través de los cuales se pueden dirigir los haces de neutrones. A niveles de potencia bajos, no es necesario purgar el refrigerante, ya que la convección natural del refrigerante proporciona una disipación de calor suficiente para mantener una condición de funcionamiento segura. El intercambiador de calor suele estar situado en la superficie o en la parte superior de la piscina donde se acumula el agua caliente.
Instalaciones en barcos
El uso original y principal de los reactores nucleares es en submarinos. Su principal ventaja esque, a diferencia de los sistemas de combustión de combustibles fósiles, no requieren aire para generar electricidad. Por tanto, un submarino nuclear puede permanecer sumergido durante largos periodos de tiempo, mientras que un submarino diesel-eléctrico convencional debe subir periódicamente a la superficie para poner en marcha sus motores en el aire. La energía nuclear otorga una ventaja estratégica a los buques de la Armada. Elimina la necesidad de repostar en puertos extranjeros o en petroleros vulnerables.
El principio de funcionamiento de un reactor nuclear en un submarino es clasificado. Sin embargo, se sabe que en EE. UU. se utiliza uranio muy enriquecido, y la ralentización y el enfriamiento se realizan con agua ligera. El diseño del primer reactor del submarino nuclear USS Nautilus estuvo fuertemente influenciado por poderosas instalaciones de investigación. Sus características únicas son un margen de reactividad muy grande, que garantiza un largo período de funcionamiento sin repostar y la capacidad de reiniciar después de una parada. La central eléctrica de los submarinos debe estar muy silenciosa para evitar ser detectada. Para satisfacer las necesidades específicas de las diferentes clases de submarinos, se crearon diferentes modelos de centrales eléctricas.
Los portaaviones de la Marina de los EE. UU. utilizan un reactor nuclear, cuyo principio se cree que se tomó prestado de los submarinos más grandes. Los detalles de su diseño tampoco han sido revelados.
Además de los EE. UU., el Reino Unido, Francia, Rusia, China e India tienen submarinos nucleares. En cada caso, el diseño no se reveló, pero se cree que todos son muy similares: estees consecuencia de los mismos requisitos para sus características técnicas. Rusia también tiene una pequeña flota de rompehielos de propulsión nuclear que tienen los mismos reactores que los submarinos soviéticos.
Instalaciones industriales
Para la producción de plutonio-239 apto para armas, se utiliza un reactor nuclear, cuyo principio es una alta productividad con un bajo nivel de producción de energía. Esto se debe al hecho de que una estancia prolongada de plutonio en el núcleo conduce a la acumulación de 240Pu.
no deseados
Producción de tritio
Actualmente, el principal material producido por estos sistemas es el tritio (3H o T), la carga de las bombas de hidrógeno. El plutonio-239 tiene una vida media larga de 24.100 años, por lo que los países con arsenales de armas nucleares que utilizan este elemento tienden a tener más de lo que necesitan. A diferencia de 239Pu, el tritio tiene una vida media de aproximadamente 12 años. Así, para mantener los suministros necesarios, este isótopo radiactivo de hidrógeno debe producirse de forma continua. En los EE. UU., Savannah River, Carolina del Sur, por ejemplo, tiene varios reactores de agua pesada que producen tritio.
Unidades flotantes de energía
Se han creado reactores nucleares que pueden proporcionar electricidad y calentamiento de vapor a áreas remotas y aisladas. En Rusia, por ejemplo, han encontrado aplicaciónpequeñas centrales eléctricas diseñadas específicamente para servir a las comunidades del Ártico. En China, una planta HTR-10 de 10 MW suministra calor y energía al instituto de investigación donde está ubicada. En Suecia y Canadá se están desarrollando pequeños reactores controlados con capacidades similares. Entre 1960 y 1972, el Ejército de EE. UU. utilizó reactores de agua compactos para alimentar bases remotas en Groenlandia y la Antártida. Han sido reemplazadas por centrales eléctricas alimentadas con petróleo.
Exploración espacial
Además, se han desarrollado reactores para el suministro de energía y el movimiento en el espacio exterior. Entre 1967 y 1988, la Unión Soviética instaló pequeñas instalaciones nucleares en los satélites Kosmos para alimentar equipos y telemetría, pero esta política se convirtió en blanco de críticas. Al menos uno de estos satélites ingresó a la atmósfera terrestre, lo que provocó la contaminación radiactiva de áreas remotas de Canadá. Estados Unidos lanzó solo un satélite de propulsión nuclear en 1965. Sin embargo, continúan desarrollándose proyectos para su uso en vuelos al espacio profundo, exploración tripulada de otros planetas o en una base lunar permanente. Será necesariamente un reactor nuclear refrigerado por gas o de metal líquido, cuyos principios físicos proporcionarán la mayor temperatura posible necesaria para minimizar el tamaño del radiador. Además, un reactor espacial debe ser lo más compacto posible para minimizar la cantidad de material utilizado parablindaje y para reducir el peso durante el lanzamiento y el vuelo espacial. La reserva de combustible garantizará el funcionamiento del reactor durante todo el período del vuelo espacial.
