Un refrigerante en un reactor nuclear es una sustancia líquida o gaseosa que pasa a través del núcleo del reactor y elimina el calor de la reacción de fisión nuclear.
Las centrales de generación eléctrica que utilizan energía nuclear para obtener energía eléctrica generan una gran cantidad de energía térmica. El calor generado hay que disiparlo porqué sinó la temperatura del reactor subiría tanto que se podría fundir.
En los reactores de potencia de doble circuito, el refrigerante del reactor entra al generador de vapor que produce vapor que impulsa las turbinas. Por otro lado, en los reactores de un solo circuito el refrigerante (vapor o gas) puede servir como fluido de trabajo del ciclo de la turbina.
En investigación (por ejemplo, ciencia de materiales) y reactores especiales (por ejemplo, en reactores para la acumulación de isótopos radiactivos) el refrigerante solo enfría el reactor, el calor resultante no se utiliza.
El refrigerante de una central nuclear y las barras de control son dos de los sistemas de seguridad más importantes de una central nuclear.
¿Cuáles son los requisitos del refrigerante nuclear?
Un refrigerante nuclear debe cumplir con los siguientes requisitos:
-
Absorción débil de neutrones (en reactores térmicos) o debilitamiento de ellos (en reactores rápidos). El objetivo es reducir la energía térmica pero no reducir la potencia del reactor.
-
Resistencia química en condiciones de intensa exposición a la radiación.
-
Baja corrosividad con respecto a los materiales estructurales con los cuales el refrigerante está en contacto.
-
Alto coeficiente de transferencia de calor para que el calor fluya rápidamente del reactor a los átomos del refrigerante.
-
Alto calor específico.
-
Baja presión de trabajo a altas temperaturas.
Tipos de refrigerantes nucleares
Los refrigerantes nucleares que se utilizan en un reactor varían dependiendo del tipo de reactor nuclear:
-
Los reactores de neutrones térmicos utilizan agua (normal y pesada ), vapor de agua, líquidos orgánicos, dióxido de carbono como refrigerante.
-
Los reactores nucleares rápidos utilizan metales líquidos (principalmente sodio ) y también gases (por ejemplo, vapor de agua, helio). A menudo, el líquido sirve como refrigerante, que también es un moderador de neutrones.
Agua ligera
Uno de los portadores de calor más comunes es el agua. El agua natural contiene una pequeña cantidad de agua pesada (0.017%), varias impurezas y gases disueltos. La presencia de impurezas y gases hace que el agua sea químicamente activa con los metales. Por lo tanto, antes de usarlo como portador de calor, el agua se purifica de las impurezas por destilación y se eliminan los gases del agua.
En el circuito primario de la planta nuclear circula agua radiactiva. La principal fuente de radioactividad del agua son las impurezas, cuya apariencia en el agua se debe a la corrosión de los nodos del circuito primario y la contaminación tecnológica por sustancias fisionables en la superficie externa de los elementos combustibles. La concentración de impurezas radiactivas en el agua se reduce por filtración.
Ventajas e inconvenientes de usar agua ligera como refrigerante nuclear
Las desventajas de usar agua como refrigerante son el bajo punto de ebullición (100°C a una presión de 1 atm) y la absorción de los neutrones térmicos. El primer inconveniente se elimina al aumentar la presión en el circuito primario. La absorción de neutrones térmicos por el agua se compensa con el uso de combustible nuclear basado en uranio enriquecido .
Agua pesada
El agua pesada en sus propiedades químicas y térmicas es un poco diferente del agua ordinaria. Prácticamente no absorbe los neutrones, lo que permite utilizar uranio natural como combustible nuclear en reactores nucleares con un moderador de agua pesada.
Sin embargo, el agua pesada todavía se usa poco en la construcción del reactor debido a su alto costo.
Un ejemplo de reactor que utiliza agua pesada como refrigerante es el reactor de agua en ebullición (BWR).
Metales líquidos
De los líquidos refrigerantes metálicos, el sodio es el más desarrollado.
Este refrigerante es químicamente activo con la mayoría de los metales a una temperatura relativamente baja, y esta actividad de sodio se debe a la mezcla de óxidos de sodio. Por lo tanto, el sodio se limpia completamente de los óxidos, después de lo cual no reacciona con muchos metales ( Mo , Zr , acero inoxidable , etc.) a 600–900 ° C.
Líquidos orgánicos
De los líquidos orgánicos probados, algunos de los polifenilos, incluidos el difenilo y el trifenilo, resultaron ser los más estables en condiciones de temperaturas elevadas y exposición a la radiación.
Sin embargo, a pesar de las ventajas, estos refrigerantes resultaron ser demasiado inestables a la irradiación de neutrones, por lo que dichos reactores no se utilizaron industrialmente.
Gas
El principal refrigerante del gas es el dióxido de carbono. Es económico, caracterizado por una mayor densidad y capacidad de calor volumétrico en comparación con otros gases. El efecto corrosivo del dióxido de carbono en los metales depende del contenido de oxígeno.
El reactor refrigerado por gas (GCR) es el tipo de reactor que utiliza este refrigerante nuclear.