Un reactor nuclear refrigerado por gas es un tipo de reactor nuclear en el que el gas, típicamente helio o dióxido de carbono, se utiliza como refrigerante primario para extraer el calor producido por la fisión nuclear en el núcleo del reactor.
A diferencia de los reactores refrigerados por agua, que son más comunes, los reactores refrigerados por gas tienen algunas características distintivas que los hacen atractivos en ciertas aplicaciones.
El diseño del GCR se basa en la idea de utilizar un gas inerte como refrigerante para transferir el calor desde el núcleo del reactor a través de intercambiadores de calor, donde se convierte en energía eléctrica o se utiliza para otros fines, como la generación de vapor en una planta de energía. Además, los reactores GCR a menudo utilizan moderadores de grafito para ralentizar los neutrones, lo que permite una fisión más eficiente.
En esencia, el GCR combina las ventajas de la refrigeración por gas con la moderación de neutrones mediante el grafito para lograr un rendimiento óptimo.
Funcionamiento de un reactor nuclear refrigerado por gas
El funcionamiento de un reactor refrigerado por gas se puede dividir en varios pasos clave:
-
Fisión nuclear: Al igual que en otros tipos de reactores nucleares, la fisión nuclear es el proceso principal en un GCR. Los núcleos atómicos pesados, como el uranio-235 o el plutonio-239, se dividen en núcleos más pequeños cuando son bombardeados por neutrones. Este proceso libera una gran cantidad de energía en forma de calor.
-
Moderación y control: Los neutrones producidos en la fisión deben ser moderados o ralentizados para mantener la reacción en cadena. En los reactores GCR, se utiliza grafito como moderador para lograr esto. Además, los controles de la reacción nuclear, como barras de control de neutrones, se utilizan para regular la tasa de fisión y garantizar que el reactor funcione de manera segura.
-
Transferencia de calor: El calor generado en el núcleo del reactor se transfiere al gas refrigerante, generalmente helio o dióxido de carbono. Este gas caliente se transporta a través de intercambiadores de calor que están en contacto con agua o un otro fluido secundario. La transferencia de calor convierte el agua o el fluido secundario en vapor, que luego se utiliza para girar turbinas y generar electricidad.
-
Generación de electricidad: La electricidad se genera mediante un generador acoplado a las turbinas impulsadas por el vapor producido. A continuación, esta electricidad es luego transmitida a la red eléctrica y distribuida a los consumidores.
-
Ciclo de refrigeración: después de la transferencia de calor, el gas refrigerante se enfría y se recicla para volver al núcleo del reactor, donde el ciclo se repite.
Ventajas
Los reactores nucleares refrigerados por gas ofrecen varias ventajas significativas en comparación con otros diseños de reactores, lo que los hace atractivos para diversas aplicaciones:
-
Mayor eficiencia térmica: Debido al uso de un gas inerte como refrigerante, los reactores GCR pueden funcionar a temperaturas más altas en comparación con los reactores refrigerados por agua, lo que aumenta la eficiencia térmica y la generación de energía.
-
Mayor seguridad: Los gases utilizados como refrigerantes en los GCR no son corrosivos ni inflamables, lo que contribuye a un entorno más seguro. Además, los diseños de reactores GCR a menudo incluyen sistemas de seguridad pasiva que pueden mitigar los efectos de un accidente.
-
Menos residuos radiactivos: Los reactores GCR suelen producir menos residuos radiactivos de alta actividad en comparación con otros diseños, lo que facilita su gestión y almacenamiento a largo plazo.
-
Flexibilidad de combustible: Los reactores refrigerados por gas pueden utilizar una variedad de combustibles nucleares, incluyendo uranio enriquecido, uranio empobrecido y plutonio, lo que proporciona flexibilidad en el suministro de combustible.
-
Aplicaciones diversas: Además de la generación de energía eléctrica, este tipo de reactores puede utilizarse en aplicaciones industriales, como la producción de hidrógeno o la desalinización de agua.
Inconvenientes
A pesar de las ventajas mencionadas, los reactores nucleares refrigerados por gas también presentan inconvenientes y consideraciones importantes:
-
Costos iniciales: La construcción de reactores GCR puede ser costosa debido a los materiales de alta resistencia y la complejidad del diseño.
-
Seguridad operativa: Aunque los reactores GCR tienen características de seguridad inherentes, la gestión de los desechos radiactivos y la seguridad operativa siguen siendo preocupaciones críticas.
-
Desarrollo recnológico: A pesar de los avances en el diseño de reactores nucleares refrigerados por gas, todavía se necesita un desarrollo tecnológico adicional para alcanzar su pleno potencial y garantizar la seguridad.
Origen y evolución del desarrollo de los GCR
Según la clasificación establecida por el Organismo Internacional de Energía Atómica de las Naciones Unidas (OIEA), esta categoría de reactores comprende los conocidos como reactores avanzados de gas, o AGR (siglas de Advanced Gas-cooled Reactor en inglés), así como los reactores Magnox (derivado de Magnesium Non-OXidising) de tecnología británica.
En la historia de la energía nuclear, también se menciona un tipo de reactor GCR de origen francés, denominado UNGG (por sus siglas en francés, Uranium Naturel Graphite Gaz). Sin embargo, este último se considera totalmente obsoleto, y en la actualidad no existe ninguna central nuclear operativa en el mundo que utilice este diseño. Los reactores UNGG representaron la primera generación de reactores nucleares en Francia y surgieron a raíz de los acontecimientos de la Segunda Guerra Mundial.
Las diferencias fundamentales entre los modelos de reactores avanzados de gas (AGR), Magnox y UNGG radican en el tipo de combustible empleado y el revestimiento que rodea las pastillas de combustible. Los reactores Magnox y UNGG, desarrollados simultáneamente, constituyen los diseños más antiguos y comparten similitudes. Ambos utilizan uranio natural como combustible nuclear. La distinción entre ellos se encuentra en el material de revestimiento que rodea las pastillas de combustible: los reactores Magnox emplean una aleación de magnesio y aluminio, mientras que los reactores UNGG utilizan una aleación de magnesio y circonio.
En contraste, la nueva generación de reactores GCR, denominados ACR (siglas de Advanced Gas-cooled Reactor, o reactores refrigerados por gas avanzado), emplean uranio enriquecido como combustible. Esta diferencia en el tipo de combustible es un avance significativo en la tecnología de reactores de gas refrigerados, ya que el uranio enriquecido permite un rendimiento más eficiente en términos de generación de energía.