05 Centrales Nucleares

Centrales Nucleares

Fenómenos básicos en los reactores

Son centrales térmicas donde el calor proviene de la fision. En la fision de un Kg U-235, por ejemplo, se libera la energía calórica equivalente a 3300 toneladas de carbón. Un átomo de carbón en la combustión libera 4eV mientras que la fisión de un átomo de U-235 genera 200 MeV.

Reacción en cadena

El isótopo U-235 se fisiona fácilmente con neutrones que tienen velocidades bajas (E<0,1 MeV) con energías similares a las de la materia circundante. Como los neutrones que escapan producto de la fisión salen a altas velocidades, para conseguir una reacción en cadena es necesario reducirles la velocidad. Si se contara con Uranio con grandes proporciones de U-235 no sería necesaria la reducción de velociad para conseguir una reacción en cadena, ya que los neutrones producto de la fisión en estas condiciones ya tienen la velocidad adecuada para provoca otra fisión, y así, sucesivamente.

Otra forma de aumentar las probabilidades de fisión es aumentando la masa del combustible, ya que la masa aumenta con el volumen, con el cubo de la dimensión lineal, muientras que la superficie libre para que los neutrones escapen aumentar con el cuadarado (area). La masa crítica es por lo tanto función recíproca de que tan puro sea el combustible.

Se puede reducir la masa crítica si se redireccionan los neutrones que de otra forma escaparían, dándoles mas chances de provocar una fisión.

Moderación

Se llama moderación al proceso de reducción de velocidad de los neutrones para provocar la fisión. A los reactores que funcionan en base a los impactos de éste tipo se los llama lentos o térmicos. El elemento moderador no debe absorber los neutrones sino simplemente reducirles la velocidad luego de colisionar contra ellos. Como moderadrones se suele usar - Deuterio (Hidrógeno con un neutrón) presente en elgua pesada. Es un excelente moderador - Hidrógeno, mejor desde el punto de vista de su masa, pero con una sección eficaz mayor, lo que lo vuelve menos efectivo.

Cuando el combustible contiene grandes cantidades de U-238 se lo coloca en forma de reticulado de barras adyacentes separadas por material moderador para incrementar la posibilidad de una fisión y reducir las chances de que los neutrones sean capturados por el U-238.

Control de la reacción

Si $F_m$, el factor de moderación es >1 el número de neutrones liberados en cada fisión que provocan otra fisión (no los liberados efectivamente) provoca un aumento descontrolado de la temperatura que haría fundir el reactor, por lo que se debe mantener el $F_m \leq 1$.

Para esto se emplean materiales absorbentes de de neutrones como el boro, carbono, cadmio, etc. Estas baras están contaminadas con material radiactivo por lo que deben ser debidamente manipuladas.

Se puede "apagar" el reactor al desacoplar comubustible y caer debajo de la masa crítica en la cual no se producen nuevas fisiones.

Los medidores de neutrones, son parte importante de este proceso, habiéndolos de diferentes tpologías. Para generar una señal eléctrica medible, dado que no tienen carga eléctrica, se usan materiales que al estar en contacto con los neutrones provoquen emisiones radiactivas que puedan luego generar diferencias de potencial y por lo tanto, corrientes medibles.

Evacuación del calor del núcleo

Además de refrigerar, los fluidos a utilizar (agua, sales fundidas, metales fundidos, gases) deben no absorber demasiados neutrones. Es de vital importancia que este sistema funcione de manera efectiva para evitar sobrepresiones en los tubos y conductos que podrían provocar la fusión del nucleo que al altravesar las instalaciones podría provocar explosiones, que contaminarían con el material radiactivo los alrededores.

Nuevos átomos generados en la fisión

Bombarndeando al Uranio natural se lo puede convertir, luego de varias estapas de insestabilidad y decaimiento en Pu-239 que es inestable y fisionable, por lo que es posible construir reactores que utilicen como combustible el Plutonio.

Este fue el proceso para obtener el material de la bomba que se uso en Hiroshima.

Blindaje

Se denomina blindaje a la protección que aisla y envuelve al reactor del resto de instalaciones y seres que pudieran ser afectados por los neutrones y la radiación que éste emite.

Reactor básico

El núcleo

El combustible: Pastillas de U-235 y U-238 encapsuladas en vainas de Alumino o Zirconio
El moderador: Agua pesada, grafito, berilio, o compuestos del carbono como parafina, polietilieno, etc. y que rodean al combustible.

El reflector

En reactores lentos, el moderador también hace de reflector. En un reactor rápido se usan elementos de elevado número másico.

El refrigerante

Puede a su vez ser un intercambiador de calor entre el reactor y el ciclo térmico que alimenta a la turbina.

Líquido: Agua pesada, compuestos orgánicos
Gas: Aire, $CO_2$, Helio
Metal fundido: Sodio, Potasio, Plomo.

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Elementos de control

Si bien como se comentó antes, se puede controlar la reaccion con la masa crítica como parámetro y la reflectividad, en general, se usan barras de control de Boro, Cadmio, Indio u otros elementos que absorben neutrones.

El detector

Mide el flujo neutrónico, como una cámara de ionización, por ejemplo.

El blindaje biológico

Se usan en general grandes paredes de hormigón (que también deben refrigerarse) combinadas con material moderador que limiten la velocidad neutrónica y eviten las filtraciones de estos productos fuera del reactor: emisioenes alfa, beta y gamma, rayos-x y neutrones.

Clasificación de los reactores

Según disposición del combustible

Heterogéneos: combustible en barras y pastillas
Homogéneos: disuelto en el moderador

Según tipo de combustible

UN: Uranio natural
U-235: Uranio enriquceicod
U-233: Obtenido del Torio-232
Pu-239: Obtenido del U.238

Según el espectro del flujo neutrónico

Térmicos o lentos: Con uso de moderador
Intermedios: Con moderación restringida
Rápidos: Sin moderador

Según el moderador

Agua natural
Agua pesada
Grafito
Berilio
Compuestos orgánicos

Según el refrigerante

Líquido
- Agua liviana
- Agua pesada
- Orgánicos
Gas
- Aire
- Dióxido de carbono
- Helio
Metal fundido
- Sodio
- Sodio-potasio
- Plomo

Según el recipiente de presión (material)

Acero
Hormigón
Tubos de acero

Diferentes tipos de reactores

Reactores Lentos o térmicos

Reactores de agua a presión (PWR)

Combustible: pellets de Uranio enriquecido
Se reabastece con el reactor apagado
Blindado con agua, hormigón y encapsulamiento metálico
Refrigerado por agua con un presurizador que calibra la presión de vapor en los niveles adecuados para el funcionamiento.

Reactores de agua pesada de alta presión (PHWR)

Combustible: Uranio natural
Se reabastece sin apagarlo
Refrigerante y moderador: Agua pesada a alta presión

Atucha 1

Reactores de agua pesada a baja presión (HWR)

En lugar de utilizar un gran recipiente a presión para el núcleo, éste está formado por haces de tubos más delicados y caros pero menos pesados.

Embalse

Reactores de agua hirviente (BWR)

Usados en submarinos se parecen a los PWR aunque no tienen intercambiador de calor, el refrigerante-moderador es agua natural y el vapor del ciclo térmico se genera en el núcleo del reactor. Trabaja a menor presión ya que el agua se evapora. En caso de de que aumente la reactividad del núcleo, el agua se evapora súbitamente disminuyedno su efecto moderador y contribuyendo a disminuir la potencia generada.

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Reactores de alta temperatura refrigerados a gas (HTGCR)

El uso de gas como refrigerante permite alcanzar temperaturas más altas y por lo tanto obtener una eficiencia teórica más alta. Sin embargo, los gases suelen ser peores conductores lo que dificulta la etapa térmica del circuito. El uso más eficiente está dado por el Helio, con mejores propiedades térmicas que el aire o el dióxido de carbono, además de no volverse radiactivo ante el bombardeo de neutrones.

El moderador en estos casos es el grafito, que ante el helio a altas temperaturas no reacciona, hecho que si sucede con el aire y otros gases.

Reactores de baja temperatura refrigerados por bas (GCR)

Como los anteriores, pero usan Uranio natural y trabajan a menor temperatura.

Reactores reproductores

Son reactores rápidos, sin moderación, donde a partir de elementos fisionales se obtiene más material fisionable que el consumido para la generación de energía

Reactores reprodutores rápidos de metal líquido (LMFBR)

Usan un ciclo Uranio-Plutonio con refrigeración de un metal fundido, como por ejemplo el Sodio. Ésto tiene doble ventaja: por un lado gran eficiencia térmica y por otro, permite usar bombas electromagnéticas (sin partes móviles) para impulsar el refrigerante.

El combustible inicial es uranio enriquecido al 28% o Plutonio proveniente del material de fisión de ractores térmicos de agua.

Reactores reprodutores rápidos a gas (GFBR)

Se usa Helio como refrigerante, no hay moderación como en los otros reactores refrigerados a gas, y se turbina directamente el Helio, por lo que no se consume agua en el ciclo térmico. En 10 años se puede producir tanto combustible como el consuimido originalmente.

El único problema es que si falla la refrigeración por Helio, el reactor puede ser muy difcil de detener en un tiempo seguro.

Reactores reproductores de sales fundidas (MSR)

Usan sales fundidas como combusitlbe y operan con ciclo Th-232/U-233 sin ser rápidos pero pudiendo reproducir el combustible.

El combustible se circula desde el generador al núcleo en donde la mezcla de sales es estable aún siendo sometida a altas radiaciones y termperaturas.

Seguridad en un reactor

Un reactor NO es una bomba por su masa crítica, sin embargo existen problemas de seguridad imporatntes.

Excursión nuclear: fugas de material radiactivo, como filtraciones al exterior del refrigerante. Existen varios mecanismos del diseño que evitan esta situación.

Uno de los costos más altos de las centrales nucleares está en sus medidas de seguridad.

El combustible nuclear

El Uranio puro aparece en trazas de 1% en los yacimientos. A su vez luego debe separarse el Uranio fisionable del natural a través de distitnos procesos de centrifugado, filtrado u otras tecnologías.