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... funcionamiento de los reactores nucleares, reactores térmicos y reactores rápidos ...
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Reactor nuclear

Un reactor nuclear es una instalación capaz de iniciar, controlar y mantener las reacciones nucleares (generalmente de fisión) en cadena que se produzcan en el núcleo de esta instalación.

La composición del reactor nuclear está formada por el combustible, el refrigerante, los elementos de control, los materiales estructurales y, en el caso de que se trate de un reactor nuclear térmico, el moderador.

Los reactores nucleares se pueden clasificar como reactores térmicos y reactores rápidos.

Los reactores térmicos son aquellos que funcionan retrasando (moderando) los neutrones más rápidos o incrementando la proporción de átomos fisibles. Para ralentizar estos neutrones, llamados neutrones lentos, se necesita un moderador que puede ser agua ligera, agua pesada o grafito.

Los reactores rápidos son los que no necesitan moderar la velocidad de los electrones y utilizan neutrones rápidos.

Para construir un reactor nuclear es necesario disponer de combustible suficiente, que llamamos masa crítica. Tener suficiente masa crítica significa disponer de suficiente material fisible en óptimas condiciones para mantener una reacción en cadena.

La disposición de absorbentes de neutrones y de las barras de control permite controlar la reacción en cadena y la parada y puesta en funcionamiento del reactor nuclear.

Reactor de energía nuclear

En el núcleo del reactor se produce y mantiene la reacción nuclear en cadena con el objetivo de calentar el agua que se utilizará para accionar las turbinas de la central.

Componentes del núcleo del reactor nuclear

Un reactor nuclear está formado por los siguientes componentes:

Combustible nuclear

Núcleo del reactor de energía nuclearEl combustible nuclear es un material con capacidad de fisionarse lo suficiente como para llegar a la masa crítica, es decir, para mantener una reacción nuclear en cadena. Se coloca de manera que se pueda extraer rápidamente el calor que produce esta reacción nuclear encadenada.

En las centrales nucleares se utiliza combustible sólido. Los combustibles nucleares varían dependiendo del tipo de reactor pero generalmente se utilizan derivados del uranio.

En general, un elemento de combustible está constituido por una disposición cuadrangular de las varillas del combustible, como se puede apreciar en la imagen. Aunque el reactor nuclear ruso de agua a presión VVER está constituido por una disposición hexagonal.

Los tubos guía se sujetan a las rejillas de soporte de combustible, de esta forma se consigue mantener los centros de las varillas de combustible y los tubos guía a la misma distancia.

El diseño mecánico de los diferentes elementos de combustible es idéntico. Algunos contienen haces de barras de control y otros contienen venenos consumibles o fuentes neutrónicas.

Para asegurar la calidad de los elementos de combustible, se realizan numerosas inspecciones y ensayos tanto de las materias primas como del producto final.

Barras de control

Los haces de barras de control proporcionan un medio rápido para controlar la reacción nuclear. Permiten realizar cambios rápidos de potencia del reactor y su parada eventual en caso de emergencia. Están fabricadas con materiales absorbentes de neutrones (carburo de boro o aleaciones de plata, indio y cadmio, entre otros) y suelen tener las mismas dimensiones que los elementos de combustible. La reactividad del núcleo aumenta o disminuye subiendo o bajando las barras de control, es decir, modificando la presencia de material absorbente de neutrones contenido en ellas en el núcleo.

Para que un reactor funcione durante un periodo de tiempo tiene que tener un exceso de reactividad, que es máximo con el combustible fresco y va disminuyendo con la vida del mismo hasta que se anula, momento en el que se hace la recarga del combustible.

En funcionamiento normal, un reactor nuclear tiene las barras de control total o parcialmente extraídas del núcleo, pero el diseño de las centrales nucleares es tal que ante un fallo en un sistema de seguridad o de control del reactor, siempre actúa en el sentido de seguridad de reactor introduciéndose totalmente todas las barras de control en el núcleo y llevando el reactor a parada segura en pocos segundos.

Moderador

Los neutrones resultantes de una reacción de fisión tienen una elevada energía cinética (adquieren mucha velocidad). Cuanto más alta sea su velocidad es menos probable que fisionen otros átomos de modo que conviene reducir esta velocidad para incentivar nuevas reacciones en cadena. Esto se consigue mediante choques elásticos de los neutrones con los núcleos del elemento que hace de moderador.

Entre los moderadores más utilizados están el agua ligera, el agua pesada y el grafito.

Refrigerante

Para poder aprovechar la energía calorífica que desprenden las reacciones nucleares de fisión se utiliza un refrigerante. La función del refrigerante es absorver dicho calor y transportarlo. El refrigerante debe ser anticorrosivo, con una gran capacidad calorífica y no debe absorber neutrones.

Los refrigerantes más usuales son gases, como el anhídrido carbónico y el helio, y líquidos como el agua ligera y el agua pesada. Incluso hay algunos compuestos orgánicos y metales líquidos como el sodio, que también se utilicen para esta función.

Reflector

En una reacción nuclear en cadena, un cierto número de neutrones tiende a escapar de la región donde ésta se produce. Esta fuga de neutrones puede minimizarse con la existencia de un medio reflector que les vuelva a dirigir dentro de la región de reacción. De esta forma se consigue aumentar la eficiencia del reactor. El medio reflector que rodea al núcleo debe tener una baja sección eficaz de captura para no reducir el número de neutrones y que se reflejen el mayor número posible de ellos.

La elección del material depende del tipo de reactor. Si tenemos un reactor térmico, el reflector puede ser el moderador, pero si tenemos un reactor rápido el material del reflector debe tener una masa atómica grande para que los neutrones se reflejen en el núcleo con su velocidad original (dispersión in-elástica).

Blindaje

Cuando el reactor esté en operación, se genera gran cantidad de radiación. Es necesaria una protección para aislar a los trabajadores de la instalación de las radiaciones ocasionadas por los productos de fisión.

Por ello, se coloca un blindaje biológico alrededor del reactor para interceptar estas emisiones.

Los materiales más usados para construir este blindaje son el hormigón, el agua y el plomo.

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