Reactor nuclear

Fig. 1. El núcleo (centro) de un reactor nuclear de investigación.

Un reactor nuclear es un sistema utilizado para iniciar y contener una reacción nuclear en cadena, y tienen muchas aplicaciones útiles. Estas reacciones nucleares producen energía térmica mediante la fisión nuclear (en la práctica) o la fusión nuclear (en desarrollo). Los reactores nucleares se utilizan principalmente para la generación de electricidad, aunque también pueden utilizarse para la propulsión de vehículos como submarinos o buques de guerra, para la producción de isótopos o neutrones útiles y para la investigación y la formación.

Los reactores nucleares se encuentran en todo el mundo. Utilizados en las centrales nucleares, los reactores de fisión aportan alrededor del 11% de la electricidad total del mundo. Aunque hay muchos diseños diferentes de reactores de fisión, la mayoría constan de los mismos componentes para su funcionamiento. La diferencia entre cada tipo de reactor de fisión proviene de los diferentes enfoques utilizados para satisfacer estos requisitos.

En este artículo se hablará principalmente de la fisión nuclear debido a su uso actual en todo el mundo. Si desea leer sobre la fusión nuclear, visite su página aquí.

¿Cómo funcionan?

Los principios básicos de funcionamiento de un reactor nuclear para la producción de energía son los siguientes: Las reacciones nucleares en cadena dentro del reactor producen calor, que se transfiere a un refrigerante (normalmente agua ligera), el refrigerante hierve hasta convertirse en vapor directamente o calienta otro bucle de agua hasta convertirlo en vapor, que luego pasa por una turbina que hace girar un generador, y produce electricidad. Aunque los principios básicos parecen sencillos, el proceso es bastante complejo.

Combustible

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Los reactores nucleares requieren el uso de combustibles nucleares, elementos que pueden ser fácilmente alterados y que liberan energía térmica. El uranio es el elemento más comúnmente utilizado como combustible nuclear, aunque el torio también es posible. Los isótopos naturales se encuentran en países como Kazajistán, Canadá y Australia.

El combustible de uranio se fabrica en pequeñas pastillas de combustible y se empaqueta en barras de combustible y se rodea de un revestimiento para evitar que se filtre al refrigerante. Estas barras de combustible se ensamblan en un haz de combustible, como se ve a continuación. En un reactor nuclear puede haber cientos de haces de combustible, lo que significa que puede haber decenas de miles de barras de combustible.

• Combustible nuclear
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  Las barras de combustible están rodeadas de refrigerante para evitar el sobrecalentamiento.

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  Estos conjuntos se utilizan en los reactores de agua en ebullición y a presión, y se introducen en el núcleo (el centro del reactor nuclear) para producir calor en una reacción nuclear.

Enriquecimiento del combustible

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No todos los núcleos de un elemento determinado están construidos exactamente igual. Un elemento se define por el número de protones dentro del núcleo, y la variación del número de neutrones en el núcleo puede hacer que se comporte de forma diferente. El uranio natural está compuesto en su mayor parte por uranio-238 (99.3%), con uranio-235 (0.7%) y una cantidad muy pequeña de uranio-234 (0.0055%). La mayoría de los reactores requieren un mayor porcentaje de uranio-235 para poder mantener las reacciones de fisión nuclear, lo que puede hacerse mediante procesos de enriquecimiento del uranio.

Moderador

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Los moderadores se utilizan para ralentizar los neutrones producidos por la fisión. Esto es necesario porque muchos combustibles nucleares (el uranio-235, por ejemplo) requieren que los neutrones se muevan lentamente para poder absorberlos. Los núcleos con números de masa bajos son los más eficaces para hacerlo, por lo que se suelen utilizar materiales como el agua o el grafito.

La mayoría de los reactores utilizan agua ligera como moderador, como los reactores de agua a presión y los de agua en ebullición. El carbón funciona de forma similar y se utiliza en reactores como el RBMK. Un tercer tipo de moderador utilizado en los reactores CANDU es el agua pesada, que es agua compuesta de hidrógeno pesado, llamado deuterio, en lugar de hidrógeno normal.

La simulación de abajo debería ayudar a visualizar cómo un moderador hace su trabajo: los neutrones que van demasiado rápido son absorbidos por el uranio-238 y no producen la fisión (verde) y los neutrones moderados son absorbidos por el uranio-235 que se divide en átomos más pequeños y produce un exceso de neutrones para continuar la reacción (rojo).

Refrigerante

El refrigerante, como su nombre indica, se utiliza para eliminar el calor del núcleo y trasladarlo a algún lugar en el que sea útil, lo que evita que el combustible se sobrecaliente y se funda, a la vez que transfiere el calor al agua para producir vapor. El agua ligera, el agua pesada y varios gases son los refrigerantes más comunes para los reactores nucleares. Los refrigerantes también pueden servir como moderadores, como es el caso de muchos reactores moderados por agua.

Barras de control

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Las barras de control pueden introducirse en el núcleo del reactor para reducir la cantidad de combustible que sufre reacciones de fisión. Las barras contienen átomos que absorben neutrones, como el gadolinio o el cadmio. Al absorber los neutrones dentro del núcleo, evitan que esos neutrones reaccionen con el combustible. El movimiento de las barras de control puede utilizarse para ajustar el número de reacciones que se producen en el núcleo, o introducirse completamente para apagar el reactor por completo.

Sistemas de seguridad

Los sistemas de seguridad son los que se utilizan para apagar el reactor y evitar que se libere material radiactivo. Algunos sistemas son pasivos, como la caída de las barras de control en el núcleo del reactor en los reactores CANDU. Las barras de control están suspendidas por encima del núcleo y se mantienen allí mediante un electroimán (un imán que requiere un suministro constante de electricidad para funcionar). En caso de pérdida de energía, las barras de control actúan para detener las reacciones en el núcleo. Además, el reactor debe estar rodeado de fuertes edificios de contención para evitar cualquier fuga radiactiva o daño externo al reactor.

Otros sistemas de seguridad requieren ser activados. Un ejemplo de este sistema es la liberación de grandes cantidades de agua para rodear el núcleo del reactor. Esto proporciona refrigeración al núcleo para dispersar la energía térmica y evitar una fusión de núcleo.

Economía

La construcción de reactores nucleares es económicamente intensiva. Los costes de capital iniciales son elevados en comparación con las centrales de combustibles fósiles de potencia similar. La energía nuclear requiere un alto grado de seguridad adicional y es completamente responsable de todos los posibles residuos nucleares. Lo que hace que la energía nuclear sea económicamente viable es la gran cantidad de energía que se obtiene de un pequeño volumen de combustible. Esta relación se conoce como densidad energética, y proporciona una ventaja de costes al uso de combustibles nucleares. El coste del combustible es relativamente menor para una central nuclear en comparación con los combustibles fósiles. Esto es lo que hace que los reactores nucleares sean competitivos a pesar de los elevados costes de capital iniciales.

Tipos de reactores

La energía nuclear consiste en varios tipos de reactores nucleares. Entre ellos se encuentran:

• Reactores CANDU
• Reactores reproductores rápidos
• Reactores de torio
• Reactores de agua en ebullición
• Reactores de agua presurizada / Reactores prismáticos
• Reactores de sales fundidas
• Pequeños reactores modulares
• Generadores térmicos de radioisótopos
• Reactores de fusión
• Reactores RBMK
• Reactores Magnox
• Reactores de lecho de guijarros
• Reactores refrigerados por agua supercrítica
• AES-2006/VVER-1000
• VHTR
• HTGR
• Reactores de investigación