Fig. 1. La central nuclear de Bruce, en Ontario, utiliza 8 reactores CANDU de agua pesada, el mayor número de centrales nucleares del mundo.[1]

El reactor CANDU es un tipo de reactor nuclear desarrollado en Canadá, que actualmente se utiliza en centrales nucleares para la generación de electricidad en varios países del mundo. CANDU son las siglas de CANada Deuterium Uranium, que reflejan el papel clave del deuterio, o agua pesada, que actúa como moderador de neutrones del reactor, una característica única del CANDU.[2] Los reactores también se diferencian de otros porque están diseñados para utilizar uranio natural como combustible (en contraposición al uranio enriquecido).[3]

El uso de estos reactores en centrales eléctricas en Canadá proporciona al país alrededor del 15% de su electricidad total, con 19 actualmente en funcionamiento.[4][5] También se utilizan 12 reactores CANDU en China, Corea del Sur, Rumanía, India, Pakistán y Argentina.[5]

Characterísticas

Combustible

Fig. 2. Haz de combustible CANDU.[6] Cada paquete tiene el tamaño aproximado de un tronco de chimenea y proporciona electricidad suficiente para una familia canadiense de cuatro personas durante 100 años.

Los reactores CANDU utilizan uranio natural como combustible nuclear. El uranio natural se compone de aproximadamente un 0.7% de uranio-235, y el 99.3% restante es en su mayoría uranio-238 que no puede utilizarse directamente en un proceso de fisión para obtener energía.[7] El uranio-238 es fértil y puede absorber neutrones de alta velocidad y convertirse en plutonio-239, que es fisionable y luego se somete a fisión; este proceso representa alrededor de la mitad de la energía producida en el reactor.[8] Los reactores CANDU utilizan entre un 25 y un 30% menos de uranio extraído que un reactor de agua ligera comparable (sobre todo por el mejor uso de los neutrones en el reactor).

En los reactores CANDU, el combustible en forma de polvo de óxido de uranio se empaqueta en pastillas y se coloca en las barras de combustible. Treinta y siete barras de combustible se agrupan para completar un haz de combustible cilíndrico, como se ve en la fig. 2. [9] El haz de combustible tiene aproximadamente 50 cm de longitud y 10 cm de diámetro. Un haz de combustible permanece en el reactor entre 6 y 24 meses, dependiendo de su ubicación en el núcleo del reactor.[2]

Moderador y Refrigerante

El uso de uranio natural como combustible es diferente a la mayoría de los demás diseños de reactores, que requieren el uso de uranio enriquecido (lo que significa que se ha aumentado su concentración de uranio-235 fisible). La razón por la que no es necesario enriquecer el uranio se debe al moderador de agua pesada, que no absorbe tantos neutrones como el agua ligera que se utiliza habitualmente. De hecho, el agua pesada como moderador es 1700 veces más eficaz que el agua ligera.[2]

Los moderadores sirven para reducir la velocidad de los neutrones hasta que los elementos fisionables puedan absorberlos. Esto es necesario en los reactores nucleares que utilizan uranio-235, y el agua pesada es uno de los mejores moderadores disponibles. El moderador en la CANDU se mantiene a una temperatura relativamente fría de 70°C utilizando un sistema de refrigeración independiente y circula a través de sistemas de purificación para garantizar una alta calidad.[2] Para aprender más sobre los moderadores de neutrones en su página aquí.

El agua pesada también actúa como refrigerante en la CANDU; las reacciones nucleares producen grandes cantidades de calor, y el agua pesada actúa para transferir este calor a una zona donde pueda ser útil, al mismo tiempo que enfría el combustible hasta temperaturas seguras. Esta zona útil se denomina generador de vapor y actúa como intercambiador de calor.[2] El agua pesada caliente fluye por los tubos del interior del generador de vapor, que contiene agua ordinaria. El calor del agua pesada hierve el agua ordinaria hasta convertirla en vapor, que puede enviarse a una turbina para generar electricidad.

Generador de Vapor

Fig. 3. El haz de tubos en forma de U invertida en un generador de vapor.[10]

Como se ha mencionado anteriormente, el refrigerante de agua pesada caliente debe transferir el calor a un generador de vapor, que puede entonces hervir el agua y enviar vapor a una sección de la turbina. La razón por la que se utiliza un generador de vapor es el hecho de que el refrigerante de agua pesada es radiactivo por estar en contacto directo con el núcleo del reactor. Si esta agua radiactiva entrara en contacto con la sección de turbinas, supondría un daño para la seguridad de los trabajadores y, potencialmente, del público, y se requerirían mayores costes para el blindaje y la contención en estas secciones.[2] El refrigerante fluye a través de tubos invertidos sumergidos dentro del generador de vapor, visibles en la fig. 3. Hay cientos de estos tubos para maximizar la transferencia de calor entre los sistemas.

Recarga en línea

La recarga en línea en un reactor CANDU es una característica única que supone una gran ventaja sobre otros reactores, como los de agua a presión y los de agua en ebullición. El CANDU tiene la capacidad de recargar combustible mientras el reactor sigue funcionando, mientras que otros reactores deben pararse completamente, lo que reduce su factor de capacidad.[11]

Esta recarga donde el reactor sigue "encendido" puede llevarse a cabo gracias al diseño de carga de combustible horizontal que permite dos máquinas remotas de carga de combustible situadas en los extremos opuestos de un canal de combustible. Una máquina de carga de combustible inserta nuevos haces de combustible mientras que la otra recibe los haces de combustible gastado del extremo opuesto para colocarlos en la bahía de almacenamiento de combustible gastado (lo que también se hace a distancia).[2]

Configuración del reactor

Fig. 4. La cara del núcleo de un reactor CANDU, con cientos de tubos de presión que pueden recargarse durante su funcionamiento.[12]

La configuración de un reactor CANDU difiere de la de otros reactores típicos, ya que los haces de combustible están dispuestos horizontalmente en lugar de verticalmente, y se colocan dentro de tubos de presión dentro de una vasija (llamada calandria).[2] Sin embargo, el núcleo de un reactor CANDU tiene que ser más grande que el de los reactores de agua ligera comparables si quiere alcanzar la misma capacidad de producción, y esto se debe a que la CANDU utiliza uranio natural. Esta configuración del reactor puede verse en la fig. 4.

Hay varios cientos de tubos de presión dentro de una CANDU, con cantidades exactas que difieren entre los reactores. El refrigerante fluye a través de estos tubos de presión, cada uno de los cuales está encerrado en un tubo de calandria. Los tubos de presión y los tubos de calandria están separados por espaciadores, para mantener separados el refrigerante y el moderador. El espacio entre estos dos tubos se rellena con dióxido de carbono, el cual actúa como aislante térmico para limitar la pérdida de calor hacia el moderador.[2]

El edificio del reactor en el que se encuentra la CANDU está hecho de gruesas paredes de concreto y acero, y las paredes de los edificios más nuevos también están llenas de cientos de toneladas de agua y gruesas bolas de acero para proporcionar un blindaje adicional.[2]

Características de seguridad

Características de seguridad pasiva

Las características pasivas de un CANDU incluyen:

  • La flexión de los canales de combustible en caso de sobrecalentamiento debido a la configuración horizontal de la CANDU, la cual a su vez ralentizará la velocidad de reacción. Esto se debe a que las barras de combustible están alineadas en la posición ideal para la reactividad, y cualquier curvatura en un canal de combustible hace que la reacción se ralentice debido a los neutrones desperdiciados que no golpean sus objetivos previstos.[13]
  • Barras de control sostenidas por electroimanes, los cuales en ausencia de una señal de potencia se liberan inmediatamente en el núcleo del reactor, imposibilitando la continuación de la reacción.[13] Este es el principal sistema de parada de un reactor CANDU.

Características de seguridad activa

  • La inyección de "veneno" de neutrones puede hacerse para disminuir en gran medida la reacción nuclear en caso de emergencia.[2] Esto se hace mediante bombas que son impulsadas por un tanque de helio de alta presión; cuando se requiere que el reactor se apague, las válvulas entre el tanque de helio de alta presión y los tanques de gadolinio se abren liberando el helio que impulsa el gadolinio hacia el núcleo del reactor.[13] El helio es apropiado para este trabajo porque no tiene tendencia a reaccionar.
  • Equipado con un amplio suministro de agua ligera para que, en caso de una pérdida accidental de refrigerante, el agua ligera fría pueda mezclarse rápidamente con el refrigerante de agua pesada que se está sobrecalentando para que el sistema vuelva a alcanzar las temperaturas de funcionamiento adecuadas.[13] Esto sólo se utiliza como último recurso, ya que mezclar el agua ligera y pesada significaría tener que volver a purificar el refrigerante de agua pesada.

Para más información sobre los reactores CANDU, visite www.nuclearfaq.ca o descargue el pdf del libro electrónico Half-lives.

Referencias

  1. Wikimedia Commons [Online], Available: http://en.wikipedia.org/wiki/CANDU_reactor#/media/File:Bruce-Nuclear-Szmurlo.jpg
  2. 2,00 2,01 2,02 2,03 2,04 2,05 2,06 2,07 2,08 2,09 2,10 D. Jackson and H. Tammemagi, "CANDU, The Canadian Reactor" in Half-Lives: A Guide to Nuclear Technology in Canada 1st ed., Canada: Oxford University Press, 2009, ch.6, pp.75-90
  3. CANDU Owners Group, "CANDU Reactors: What is CANDU?," 2012. [Online]. Available: http://www.candu.org/candu_reactors.html
  4. IEA (2014), "World energy balances", IEA World Energy Statistics and Balances (database). DOI: http://dx.doi.org/10.1787/data-00512-en (Accessed February 2015)
  5. 5,0 5,1 World Nuclear Association. (June 6 2015). Nuclear Power in Canada [Online], Available: http://www.world-nuclear.org/info/Country-Profiles/Countries-A-F/Canada--Nuclear-Power/
  6. From https://canteach.candu.org/Pages/Welcome.aspx (July 9th, 2015)
  7. World Nuclear Association. (July 6 2015). Uranium Enrichment [Online], Available: http://www.world-nuclear.org/info/Nuclear-Fuel-Cycle/Conversion-Enrichment-and-Fabrication/Uranium-Enrichment/
  8. From nuclearfaq.ca (July 9th, 2015) http://www.nuclearfaq.ca/cnf_sectionF.htm.
  9. J. Gonyeau, "CANDU fuel and reactor specifics," 2005. [Online]. Available: http://www.nucleartourist.com/type/candu2.htm
  10. Wikimedia Commons [Online], Available: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/89/Nuclear_steam_generator.jpg
  11. J. Garland, "How and Why is a CANDU designed the way it is?," CANTEACH, 2003. [Online]. Available: https://canteach.candu.org/Content%20Library/20000101.pdf
  12. Introduction to CANDU 6- Part 3 Moderator, HTS, Heavy Water, by D.A. Meneley and Y.Q. Ruan. [Online], Available: https://canteach.candu.org/Image%20Library1/Forms/DispForm.aspx?ID=285&RootFolder=/Image%20Library1/19980103-Intro_to_CANDU6_China
  13. 13,0 13,1 13,2 13,3 CANDU 6 Program Team: Reactor Development Business Unit, CANDU 6 Technical Summary, 2005. Available: https://canteach.candu.org/Content%20Library/CANDU6_TechnicalSummary-s.pdf