El moderador de neutrones desempeña un papel crucial en los reactores nucleares al participar en la gestión de las reacciones de fisión nuclear. Su función principal radica en la tarea de disminuir la velocidad de los neutrones generados durante dichas reacciones.
En el proceso de fisión nuclear, los neutrones colisionan con los átomos fisibles de uranio, desencadenando reacciones adicionales. Cada evento de fisión libera uno o dos neutrones a velocidades considerablemente altas, capaces de iniciar una reacción en cadena al chocar con otros átomos circundantes.
La clave para aprovechar eficientemente la energía nuclear reside en mantener una reacción en cadena controlada dentro del reactor. Si los neutrones conservan una velocidad elevada en el núcleo del reactor, la probabilidad de que colisionen con otros átomos disminuye.
En este contexto, el moderador asume la responsabilidad de reducir la velocidad de los neutrones, mejorando así el rendimiento del reactor nuclear. Los neutrones liberados tras una reacción de fisión inicial se desplazan aproximadamente al 10% de la velocidad de la luz.
Para garantizar el funcionamiento óptimo del reactor, es esencial disminuir esta velocidad a unos pocos kilómetros por segundo, equiparando así las condiciones a temperaturas del orden de los pocos cientos de grados Celsius.
Función del moderador nuclear en el reactor
Los neutrones, impulsados por su elevada velocidad, albergan una considerable energía cinética. Cuando un neutrón colisiona con un átomo del material designado como moderador, una fracción de su energía cinética se transfiere al átomo del moderador, resultando en una disminución simultánea de la velocidad de los neutrones.
Los elementos químicos de la tabla periódica ideales para desempeñar la función de moderador son aquellos con una masa atómica baja, maximizando así la energía transferida en cada choque. Entre ellos destacan el hidrógeno, deuterio (presente en el agua pesada) y carbono.
La eficacia del moderador se basa en su capacidad para reducir la velocidad de los neutrones sin absorberlos. Para lograr este equilibrio, es imperativo que los materiales moderadores presenten una baja sección eficaz de captura.
No obstante, en determinados momentos de la reacción en cadena, se hace necesario capturar neutrones para mantener un control preciso. Es aquí donde entran en juego las barras de control, actuando estratégicamente para regular la cantidad de neutrones presentes y, por ende, gestionar la reacción en cadena.
Tipos de moderadores
Existen varios tipos de moderadores nucleares utilizados en reactores nucleares para desacelerar los neutrones y facilitar una reacción en cadena controlada. Aquí se presentan algunos de los tipos más comunes:
- Agua ligera (H₂O): El agua común, compuesta principalmente de átomos de hidrógeno y oxígeno, es un moderador eficaz. En los reactores de agua ligera, el agua actúa tanto como moderador como refrigerante.
- Agua pesada (D₂O): El deuterio, un isótopo del hidrógeno, reemplaza el hidrógeno en el agua pesada. Los reactores de agua pesada utilizan este tipo de agua como moderador y refrigerante. El agua pesada permite utilizar combustibles de uranio natural sin enriquecer.
- Grafito: El grafito, una forma de carbono, es otro moderador común. Los reactores de grafito utilizan bloques de grafito para reducir la velocidad de los neutrones. Este material también puede actuar como reflector, redirigiendo algunos neutrones de vuelta al núcleo.
- Agua ligera y grafito (RBMK): Algunos reactores, como el tipo RBMK (Reactores de Agua Ligera y Grafito) utilizados en la antigua Unión Soviética, combinan el agua ligera y el grafito como moderadores. Este diseño permite ciertas flexibilidades operativas.
- Compuestos orgánicos: Algunos reactores utilizan compuestos orgánicos, como hidrocarburos, como moderadores. Estos materiales ofrecen propiedades moderadoras eficientes y, en algunos casos, pueden simplificar el diseño del reactor.
- Moderadores refractarios: En ciertos reactores de alta temperatura, se utilizan materiales refractarios como moderadores. Estos materiales, como el óxido de berilio o carburo de silicio, pueden soportar temperaturas más elevadas sin perder eficacia como moderadores.