Piscina de combustible nuclear gastado

Combustible nuclear

Combustible nuclear

El combustible nuclear es el material utilizado para la generación de energía nuclear. Se trata de un material susceptible de ser fisionado o fusionado según si su uso es la fisión nuclear o la fusión nuclear.

Nos referimos al combustible nuclear tanto al material (uranio, plutonio...) como al conjunto elaborado con dicho material nuclear (barras de combustible, composiciones de material nuclear y el moderador o cualquier otra combinación.

El combustible nuclear más conocido es el uranio debido a que es el más utilizado en los reactores nucleares de fisión. Actualmente todos los reactores nucleares en producción para la generación de energía eléctrica son de fisión. A otro nivel, también se utiliza el plutonio como combustible nuclear.

El tritio y el deuterio son isótopos ligeros que se utilizan en el proceso de fusión nuclear. La fusión nuclear, por el momento, no está lo suficientemente desarrollada para poderla aplicar en centrales nucleares aunque en Francia se está construyendo un reactor nuclear de fusión (proyecto ITER) para su estudio.

Utilización del combustible nuclear

Durante la operación del reactor, los átomos del combustible nuclear se separan progresivamente por el proceso de la fisión nuclear en cadena: el material se transforma gradualmente en otros elementos y/o isótopos, liberando así energía térmica. Esta energía calorífica se utiliza por una máquina térmica adecuada para impulsar mecánicamente una turbina de vapor acoplada a un alternador, y así producir electricidad.

Típicamente, la masa del combustible nuclear presente en el reactor alcanza la llamada masa crítica, es decir, la cantidad necesaria para iniciar una reacción en cadena que es autosuficiente de manera estable.

El combustible nuclear generalmente se coloca en barras en el reactor. Esto es para facilitar su transporte, tanto para alternar el combustible con la moderación y las barras de control como para facilitar su extracción al final del ciclo.

El material fisionable debe colocarse con una disposición geométrica que maximice la eficiencia del efecto en cadena, teniendo en cuenta la necesidad de dejar suficiente espacio para insertar el moderador. Durante la fase de diseño de un reactor nuclear, también es necesario dejar espacio para las barras de control y los dispositivos de diagnóstico. Desde un punto de vista puramente teórico, la forma ideal sería la esférica . Sin embargo, razones de naturaleza práctica y constructiva nos hacen inclinarnos hacia otras soluciones: generalmente se usa una forma cilíndrica, obtenida por la combinación de un gran número de barras.

Agotamiento y sustitución del combustible nuclear

A diferencia del combustible tradicional (combustibles fósiles como carbón, petróleo, gas natural o madera), el consumo de combustible en un reactor nuclear es muy lento y, una vez cargado, dura generalmente, durante años (dependiendo del tipo de reactor y su uso). Por otro lado, las operaciones de recarga de combustible son considerablemente más complejas.

A diferencia de lo que sucede con otros tipos de combustibles, el producto de la reacción (la llamada escoria) no se dispersa, sino que permanece principalmente dentro de las propias barras o elementos inmediatamente adyacentes.

A medida que el tiempo avanza, las barras se vuelven cada vez más pobres en material fisionable, hasta que alcanzan un punto en el que ya no es eficiente explotarlas y deben reemplazarse. Dependiendo de la geometría del reactor, puede suceder que una parte del combustible se agote más rápido que otras partes: por lo general, la parte central se agota más rápido que la parte externa. La configuración de la barra es útil en este caso porque permite el reemplazo solo de las partes más agotadas.

Las barras agotadas, así como el material en las inmediaciones, se han vuelto altamente radiactivas debido a la presencia de productos de fisión generados por las reacciones, así como a otro material que puede activarse durante el proceso de captura de neutrones o como resultado de otros procesos similares. La eliminación de barras agotadas es, por lo tanto, la parte más compleja del desmantelamiento de la escoria del reactor nuclear.

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Referencias

Última revisión: 23 de octubre de 2018