Unreactor nuclear es un dispositivo en donde se produce unareacción nuclear en cadena de forma controlada.Se puede utilizar para la obtención deenergía en lascentrales nucleares, que pueden disponer de uno o varios reactores; para la producción de materiales fisionables, como el plutonio u otros isótopos de uso en medicina y otras industrias; para ser usados en armamento nuclear; en lapropulsión nuclear de buques, submarinos o desatélites artificiales o para la investigación. Actualmente solo producen energía de forma comercial losreactores nucleares de fisión, aunque existenreactores nucleares de fusión experimentales.
La potencia de un reactor defisión nuclear varía según su tamaño y función designada desde el orden delkW térmicos hasta el orden del gigavatio térmico.Según su aplicación, esta potencia térmica generada puede disiparse o emplearse para la generación depotencia eléctrica.Para su correcto funcionamiento, necesitan de un caudal constante de agua fría que permita su adecuada refrigeración.Por este motivo, de manera similar a lascentrales térmicas convencionales, deben ser instalados en zonas cercanas al agua, generalmente ríos o el mar.
Los reactores nucleares no emitengases de efecto invernadero ni otros contaminantes atmosféricos durante su funcionamiento: las torres de refrigeración únicamente liberan vapor de agua producido en la refrigeración del reactor.Sin embargo, sí producenresiduos radiactivos, incluyendo isótopos convidas medias del orden de decenas de miles de años, periodo en el que deben seralmacenados en condiciones de seguridad hasta que sus niveles deradiactividad sean suficientemente bajos o se opte por su almacenamiento definitivo en unalmacenamiento geológico profundo.
Un reactor nuclear de fisión consta de las siguientes partes esenciales:
Combustible: Isótopofisible (divisible) ofértil (convertible en fisionable poractivación neutrónica):Uranio-235,Uranio-238,plutonio-239,Torio-232, o mezclas de estos (MOX, Mezcla de óxidos de uranio y plutonio).[2] El combustible habitual en las centrales refrigeradas por agua ligera es eldióxido de uranio enriquecido, en el que alrededor del 3 % de los núcleos de uranio son de U-235 y el resto de U-238. La proporción de U-235 en el uranio natural es sólo de 0,72 %, por lo que es necesario someterlo a un proceso deenriquecimiento en este nucleido.
Grafito moderador enpila nuclear de uranio, en Haigerloch, Alemania. (1945)
Moderador:Agua,agua pesada,grafito,sodio metálico: Cumplen con la función de frenar la velocidad de los neutrones producidos por la fisión, para que tengan la oportunidad de interactuar con otros átomos fisionables y mantener la reacción. Como regla general, a menor velocidad del neutrón, mayorprobabilidad de fisionar con otros núcleos del combustible en los reactores que usan uranio 235 como combustible.
Material de control:Cadmio oboro: hace que la reacción en cadena se pare. Son muy buenos absorbentes de neutrones. Generalmente se usan en forma debarras o bien disuelto en el refrigerante.
Elementos de Seguridad: Todas las centrales nucleares de fisión, constan desde 2007 de múltiples sistemas, activos (responden a señales eléctricas), o pasivos (actúan de forma natural, por gravedad, por ejemplo). Lacontención de hormigón que rodea a los reactores es la principal de ellas. Evitan que se produzcan accidentes, o que, en caso de producirse, no haya una liberación deradiactividad al exterior del reactor.
Las centrales de fisión se caracterizan fundamentalmente según el tipo de reactor nuclear que tienen instalado y se dividen en dos grandes grupos: por un lado los reactores térmicos y por otro los rápidos. La diferencia principal entre estos dos tipos de reactores es que los primeros presentanmoderador nuclear y los últimos no. Los reactores térmicos (los más utilizados en la actualidad) necesitan para su correcto funcionamiento que los neutrones emitidos en la fisión, de muy alta energía, sean frenados por una sustancia a la que se llama moderador, cuya función es precisamente esa. Los reactores rápidos (de muy alta importancia en la generación III+ y IV) sin embargo no precisan de este material ya que trabajan directamente con los neutrones de elevada energía sin una previa moderación.
LWR -Light Water Reactors (Reactores de agua ligera): utilizan como refrigerante y moderador el agua. Como combustibleuranio enriquecido. Los más utilizados son losPWR (Pressure Water Reactor o reactores de agua a presión) y losBWR (Boiling Water Reactor o reactores de agua en ebullición): 264 PWR y 94 BWR en funcionamiento en el 2007.
CANDU -Canada Deuterium Uranium (Canadá deuterio uranio): Utilizan como moderador y refrigerante agua pesada (compuesta por dos átomos dedeuterio y uno deoxígeno). Como combustible utilizan uranio natural: 43 en funcionamiento en el 2007.
FBR -Fast Breeder Reactors (reactores rápidos realimentados): utilizan neutrones rápidos en lugar de térmicos para la consecución de la fisión. Como combustible utiliza plutonio y como refrigerantesodio líquido. Este reactor no necesita moderador: 4 operativos en 2007. Solo uno en operación.
AGR -Advanced Gas-cooled Reactor (reactor refrigerado por gas avanzado): usa uranio como combustible. Como refrigerante utiliza CO2 y comomoderadorgrafito: 18 en funcionamiento en 2007.
RBMK -Reactor Bolshoy Moshchnosty Kanalny (reactor de canales de alta potencia): Utilizagrafito como moderador y agua como refrigerante.Uranio enriquecido como combustible. Puede recargarse en marcha. Tiene un coeficiente de reactividad positivo. El reactor deChernóbil era de este tipo. Existían 12 en funcionamiento en 2007.
FBNR Reactor de Lecho Fijo, un reactor de lecho fijo es un reactor modular de 4 generación, en el cual la cámara de combustible se encuentra separado de la cámara de reacción
ADS -Accelerator Driven System (sistema asistido por acelerador): utiliza una masa subcrítica detorio, en la que se produce la fisión solo por la introducción, medianteaceleradores de partículas de neutrones, en el reactor. Se encuentran en fase de experimentación, y se prevé que una de sus funciones fundamentales sería la eliminación de losresiduos nucleares producidos en otros reactores de fisión.
Su uso como fuentes deneutrones y depositrones (p. ej. para su uso de análisis mediante activación neutrónica o para el datado por el método dedatación potasio-argón).
Instalación destinada a la producción de energía mediante lafusión nuclear. Tras más de 60 años de investigación en este campo, se ha logrado mantener una reacción controlada, si bien aún no es energéticamente rentable.
La mayor dificultad se halla en soportar la enormepresión ytemperatura que requiere una fusión nuclear (que sólo es posible encontrar de forma natural en el núcleo de unaestrella). Además este proceso requiere una enorme inyección de energía inicial (aunque luego se podría automantener ya que la energía desprendida es mucho mayor)
Elconfinamiento inercial consiste en contener la fusión mediante el empuje de partículas o de rayos láser proyectados contra una partícula de combustible, que provocan su ignición instantánea.
Los dos proyectos más importantes a nivel mundial son elNIF (National Ignition Facility) en Estados Unidos y elLMJ (Laser Mega Joule) en Francia.
Elconfinamiento magnético consiste en contener el material a fusionar en un campo magnético mientras se le hace alcanzar la temperatura y presión necesarias. El hidrógeno a estas temperaturas alcanza el estado deplasma.
Los primeros modelos magnéticos, americanos, conocidos comoStellarator generaban el campo directamente en un reactortoroidal, con el problema de que el plasma se filtraba entre las líneas del campo.
Los ingenieros rusos mejoraron este modelo dando paso alTokamak en el que unarrollamiento de bobina primario inducía el campo sobre el plasma, aprovechando que es conductor, y utilizándolo de hecho como un arrollamiento secundario. Además la resistencia eléctrica del plasma lo calentaba.
El mayor reactor de este tipo, elJET (toro europeo conjunto) ha conseguido condiciones de fusión nuclear con un factor Q>0,7. Esto significa que el ratio entre la energía generada por fusión y la requerida para sostener la reacción es de 0.7. Para que la reacción se auto sostenga deben alcanzarse parámetros superiores a Q>1 y más aún para su viabilidad económica. El primer objetivo debe ser alcanzado con el proyectoITER y el segundo conDEMO.
Se ha comprometido la creación de un reactor aún mayor, elITER uniendo el esfuerzo internacional para lograr la fusión. Aun en el caso de lograrlo seguiría siendo un reactor experimental y habría que construir otro prototipo para probar la generación de energía, el llamado proyectoDEMO.
Posibles combustibles para reactores de fusión nuclear
La reacción óptima para producir energía por fusión es la deldeuterio ytritio debido a su elevadasección eficaz. Es también, por ello, la más usada en las pruebas experimentales. La reacción es la siguiente:
D + T →4He + n
Obtener deuterio no es difícil ya que es un elemento estable y abundante que se formó en grandes cantidades en la sopa primordial de partículas (véaseBig Bang). En elagua una parte por cada 6500 presenta deuterio en lugar de hidrógeno, por lo que se considera que existe una reserva inagotable de deuterio. En un reactor automantenido la reacción deuterio-tritio generaría energía y neutrones. Los neutrones son la parte negativa de la reacción y hay que controlarlos ya que las reacciones decaptación de neutrones en las paredes del reactor o en cualquier átomo del reactivo pueden inducirradiactividad. De hecho, los neutrones, con tiempo suficiente pueden llegar a debilitar la estructura del propio contenedor con el consecuente riesgo de que se produzcan peligrosas fisuras. Para ello están los moderadores y blindajes de neutrones tales como elagua pesada, elberilio, elsodio o elcarbono como moderadores muy usados en las centrales de fisión, o elboro y elcadmio, usados como productos que paran completamente los neutrones absorbiéndolos. Si se quiere fabricar un reactor realmentelimpio habrá que buscar otras fórmulas. Se ha planteado una doble solución al problema de los neutrones y al de la abundancia del tritio. El tritio no se encuentra en la naturaleza ya que es inestable así que hay que fabricarlo. Para obtenerlo se puede recurrir a las centrales de fisión, donde se puede generar por la activación del hidrógeno contenido en el agua, o al bombardeo dellitio, material abundante en la corteza terrestre, con neutrones.
6Li + n →4He + T
7Li + n →4He + T +n
Hay dosisótopos estables del litio el litio-6 y el litio-7 siendo este último mucho más abundante. Por desgracia, la reacción que absorbe neutrones es la que se da con el litio-6, el menos abundante. Todo esto tampoco evita que muchos neutrones acaben impactando con las paredes del propio reactor con la subsiguiente fabricación de átomos radiactivos. A pesar de ello una de las propuestas para el ITER es la de recubrir las paredes con litio-6 el cual pararía una buena parte de los neutrones para producir más tritio. Debido a todos estos problemas se están investigando otras reacciones de sección eficaz alta pero máslimpias. Una de la más prometedoras es la del deuterio máshelio-3.
D + ³He →4He + p
El problema en esta reacción reside en la menorsección eficaz con respecto a la de deuterio-tritio y en la propia obtención del helio-3 que es el isótopo más raro de dichoelemento. Los protones no entrañan tanto peligro como los neutrones ya que estos no serán fácilmente captados por los átomos debido a labarrera coulombiana que deben atravesar cosa que con las partículas de carga neutra como los neutrones no ocurre. Además un protón puede ser manipulado mediante campos electromagnéticos. Una solución para obtener helio-3 artificialmente sería la de incorporar, en el propio reactor, la reacción deuterio-deuterio.
D + D → ³He + n
El problema es que, de nuevo, obtenemos un neutrón residual, lo que nos devuelve de nuevo al problema de los neutrones. Quizá la clave fuera la obtención de helio-3 natural, pero este es extremadamente raro en la Tierra. Hay que tener en cuenta que el poco helio-3 natural que se produce por radiactividad tiende a escapar de nuestra densa atmósfera. Lo curioso es que dicho isótopo es abundante en laLuna. Se encuentra esparcido por su superficie y proviene delviento solar que durante miles de millones de años ha bañado la desnuda superficie lunar con sus partículas ionizadas. Este helio lunar podría ser, en un futuro, la clave para los reactores de fusión.
Mientras tanto se está investigando en materiales que aunque se activen, solo den lugar aisótopos de vida media corta, con lo que dejando reposar un periodo corto a esos materiales, podrían considerarse como residuos convencionales (no radiactivos). El problema principal, en cualquier caso, seguiría estando en la dificultad de mantener en condiciones al armazón del núcleo sin que este se deteriorara y hubiese que cambiarlo cada poco tiempo.
