Barra de control

Fig. 1. Un reactor de agua presurizada con barras de control que sobresalen de la cabeza del reactor.

Una barra de control es un dispositivo que se utiliza para absorber neutrones, de modo que la reacción nuclear en cadena que tiene lugar en el núcleo del reactor puede ralentizarse o detenerse por completo insertando más las barras, o acelerarse retirándolas ligeramente. Esencialmente, las barras de control proporcionan un control en tiempo real del proceso de fisión, asegurando que permanezca activo y evitando que se acelere fuera de control.

La fisión del uranio-235 libera una media de 2.5 neutrones, pero sólo se necesita un neutrón para mantener la reacción nuclear en cadena a un ritmo constante. Las barras de control absorben estos neutrones adicionales y pueden utilizarse para ajustar la potencia del reactor. Cuando se introducen la cantidad estándar en el centro del reactor, su posición es de criticidad y la potencia se mantiene igual. Si se empuja la varilla hacia dentro, el número de neutrones disminuye junto con la potencia y el reactor está por debajo de la criticidad. Lo contrario ocurre si las barras se sacan ligeramente, ya que la fisión supera la criticidad. Esto se muestra en la fig. 2.

Fig. 2. Esquema que muestra cómo cambia la potencia del reactor en función del grado de inserción de las barras de control (mostradas en verde). A la izquierda, las barras de control se insertan más de lo habitual, reduciendo la potencia del reactor. A la derecha, las barras de control se insertan menos de lo habitual, aumentando la potencia.

Diseño

Las barras de control son varillas, placas o tubos que contienen un material (como el boro o el hafnio) que absorbe los neutrones. Varias de estas barras de control, del tamaño de las barras de combustible, están espaciadas uniformemente y conectadas en un extremo por un soporte metálico conocido como araña. Los reactores típicos pueden contener unas 50 de estas agrupaciones con 20 barras de control individuales en cada una.

La capacidad de una barra de control de absorber neutrones para controlar la reacción en cadena de fisión requiere la elección de un material que tenga una alta capacidad de absorción de neutrones. La medida de la capacidad de absorción de neutrones de un material se conoce como su sección transversal de absorción de neutrones, o [math]\displaystyle{ \sigma_a }[/math], que se mide en barns (equivalente a 10^-28 metros cuadrados). En general, las barras de control se fabrican con cadmio, hafnio o boro enriquecido.

Junto con la elección del material, las propiedades mecánicas y el coste son importantes a la hora de diseñar una barra de control. Por ejemplo, el boro-10 es uno de los mejores absorbentes de neutrones, pero no es ideal para construir barras de control, ya que es extremadamente frágil. Además, el boro natural debe ser enriquecido para tener unos niveles de absorción razonables, lo que resulta muy caro.

Precauciones de seguridad

Las barras de control son importantes elementos de seguridad de los reactores, ya que permiten controlar la potencia del reactor. En algunos tipos de reactores, sobre todo en los reactores CANDU, las barras de control están sujetas por electroimanes. Esto significa que si se produce algún tipo de fallo de alimentación o pérdida de señal, las barras de control se liberan inmediatamente y caen en el núcleo del reactor por efecto de la gravedad, lo que impide que continúe la reacción de fisión y actúa como sistema de apagado primario en caso de emergencia. Este movimiento de caída también puede ser inducido manualmente si la maquinaria que sostiene las barras falla de alguna manera. Cuando las barras de control se introducen en el reactor, se trata de un proceso conocido como scramming. En los reactores de agua en ebullición, el diseño es diferente debido a que las barras de control deben ser empujadas hacia arriba en el reactor, ya que se encuentran en la parte inferior del reactor.