Un reactor nuclear (o reactor atómico) es una instalación capaz de convertir la energía nuclear en energía térmica. Los reactores tienen la capacidad de iniciar, controlar y mantener las reacciones nucleares en cadena que se produzcan en el núcleo de esta instalación.
En una central nuclear común, los reactores nucleares se utilizan para la producción de energía térmica y generar vapor de agua para accionar las turbinas de vapor con las que se obtiene.
Funcionamiento básico
Un reactor nuclear genera energía a través de la fisión nuclear, un proceso en el cual los núcleos de átomos pesados, como el uranio-235 o el plutonio-239, se dividen en fragmentos más pequeños al ser bombardeados por neutrones. Esta división libera una enorme cantidad de energía en forma de calor.
El reactor contiene un núcleo con el combustible nuclear, usualmente en forma de barras de combustible. Los neutrones iniciadores chocan con los átomos de combustible, provocando su fisión y liberando más neutrones y energía. Estos neutrones liberados causan más fisiones en una reacción en cadena controlada.
Para gestionar esta reacción, el reactor cuenta con barras de control hechas de materiales que absorben neutrones, como el boro o el cadmio. Ajustando la posición de estas barras, se puede acelerar, ralentizar o detener la reacción en cadena.
El calor generado en el núcleo del reactor calienta un refrigerante, típicamente agua, que circula a través del núcleo. Este refrigerante transfiere el calor a un generador de vapor, donde se produce vapor a alta presión. El vapor mueve una turbina conectada a un generador eléctrico, produciendo electricidad.
¿Para qué sirve un reactor nuclear?
Un reactor nuclear se utiliza principalmente para generar energía eléctrica a través de un proceso llamado fisión nuclear controlada. Las centrales nucleares son las instalaciones diseñadas para utilizar los reactores nucleares para este propósito.
Sin embargo, existen reactores atómicos para complir otros objetivos. Aquí están algunos usos y beneficios de los reactores nucleares:
Generación de energía eléctrica
Los reactores nucleares son una fuente continua de energía eléctrica. La fisión nuclear produce una gran cantidad de calor, que se utiliza para generar vapor y accionar turbinas que, a su vez, generan electricidad.
Una de las principales ventajas que proporcionan los reactores atómicos es que pueden operar durante largos períodos sin interrupción. De esta forma, pueden proporcionar una fuente de energía base constante para satisfacer la demanda eléctrica.
Producción de radioisótopos
Los reactores nucleares también se utilizan para la producción de radioisótopos utilizados en medicina, investigación y aplicaciones industriales.
Algunos radioisótopos tienen propiedades únicas que se utilizan en diagnósticos y tratamientos médicos, como el diagnóstico por imagen y la radioterapia.
Investigación científica y tecnológica
Los reactores nucleares desempeñan un papel crucial en la investigación científica y el desarrollo tecnológico.
Los reactores de investigación se utilizan para:
Estudiar la física de los núcleos atómicos.
Realizar investigaciones en materiales nucleares.
Simular condiciones extremas.
Analizar la seguridad.
Mejorar y desarrollar nuevos diseños de reactores.
Partes de un reactor nuclear
Un reactor nuclear está formado por los siguientes componentes:
1. Núcleo
Está constituido por las barras de combustible. El núcleo del reactor posee una forma geométrica característica. El núcleo está refrigerado por un fluido, generalmente agua.
En algunos reactores nucleares el núcleo se ubica en el interior de una piscina con agua, a unos 10 a 12 metros de profundidad, o bien al interior de una vasija de presión construida en acero.
2. Barras de combustible
Son el lugar físico donde se confina el combustible nuclear. Algunas barras de combustible contienen el uranio mezclado en aluminio bajo la forma de láminas planas. Estas láminas están separadas por una cierta distancia que permite la circulación de fluido disipador de calor.
Las láminas se ubican en una especie de caja que les sirve de soporte.
El 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 la energía térmica que produce esta reacción nuclear.
En las centrales nucleares se utiliza combustible nuclear sólido. Los combustibles nucleares varían dependiendo del tipo de reactor pero generalmente se utilizan derivados del uranio.
El uranio natural se extrae de las minas de uranio pero no es suficientemente radioactivo para utilizarlo directamente en un reactor. El uranio natural se somete a un proceso de enriquecimiento para obtener isótopos más inestables para aumentar el coeficiente de reactividad.
Para que un reactor nuclear 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. En este momento se realiza la recarga del combustible nuclear.
3. Barras de control
Los haces de barras de control proporcionan un medio rápido para controlar las reacciones en cadena. Estas barras permiten realizar cambios rápidos de potencia del reactor nuclear y su parada eventual en caso de emergencia.
Las barras de control están fabricadas con materiales absorbentes de neutrones y suelen tener las mismas dimensiones que los elementos de combustible.
El coeficiente de reactividad del núcleo aumenta o disminuye subiendo o bajando las barras de control. Al subirlas o bajarlas, se modifica la presencia de material absorbente de neutrones contenido en ellas en el núcleo.
En funcionamiento normal, un reactor nuclear tiene las barras de control total o parcialmente extraídas del núcleo.
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 máxima introduciéndose totalmente todas las barras de control en el núcleo del reactor.
Esta acción lleva al reactor nuclear a parada segura en pocos segundos.
4. Moderador nuclear
Los neutrones resultantes de una reacción de fisión nuclear tienen una elevada energía cinética. 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.
La función del moderador es la de reducir la energía cinética de los neutrones mediante choques elásticos de los neutrones con los núcleos del propio moderador.
Entre los moderadores más utilizados están el agua ligera, el agua pesada y el grafito.
5. Refrigerante
Para poder aprovechar la energía térmica que desprenden las reacciones fisión nuclear se utiliza un refrigerante. La función del refrigerante es absorber dicha energía térmica y transportarla.
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
Líquidos como el agua ligera y el agua pesada.
Incluso hay algunos compuestos orgánicos y metales líquidos como el sodio, que también se utilizan para esta función.
6. 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.
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.
7. Blindaje
Cuando el reactor nuclear está en operación, se genera una gran cantidad de radiación. El blindaje se utiliza para proteger y aislar a los trabajadores de la instalación de la radioactividad ocasionada por los productos de fisión.
Por ello, se coloca un blindaje biológico alrededor del reactor para interceptar estas emisiones radioactivas.
Los materiales más usados para construir este blindaje son el hormigón, el agua y el plomo.
Tipos de reactores
Hay varios tipos de reactores nucleares, algunos de los cuales son:
- Reactor de agua a presión (PWR): En un PWR, el agua se utiliza como refrigerante y moderador. El agua a alta presión circula a través del núcleo del reactor para transferir el calor producido por las reacciones nucleares. Es el tipo de reactor más común en las centrales nucleares comerciales.
- Reactor de agua en ebullición (BWR): En un BWR, el agua se utiliza tanto como refrigerante como moderador. El agua hierve en el núcleo y el vapor generado impulsa las turbinas para generar electricidad.
- Reactor de agua pesada a presión (CANDU): En estos reactores, el moderador es agua pesada (óxido de deuterio) y el refrigerante es agua ligera. Son conocidos por su flexibilidad y capacidad para utilizar uranio natural como combustible.
- Reactor de sales fundidas (MSR): En un MSR, el combustible nuclear está disuelto en una sal fundida que sirve como refrigerante. Son conocidos por su seguridad inherente y capacidad para operar a alta temperatura.
- Reactor rápido refrigerado por metal (LMFR): Estos reactores utilizan metales líquidos, como sodio o plomo, como refrigerantes y operan a velocidades de neutrones más rápidas. Son eficientes para la transmutación de desechos nucleares y la producción de más combustible.
- Reactor de grafito y agua pesada (HWGCR): Este tipo de reactor utiliza grafito como moderador y agua pesada como refrigerante. Son conocidos por su uso en la producción de plutonio.
- Reactor de neutrones rápidos (FNR): Los reactores de neutrones rápidos operan con neutrones rápidos en lugar de moderados. Son eficientes en la utilización de combustible y la producción de nuevos materiales nucleares.