19.7: La Energía Nuclear

Las reacciones de fisión nuclear controladas se utilizan para generar electricidad. Cualquier reactor nuclear que produzca energía a través de la fisión de uranio o plutonio por bombardeo con neutrones tiene seis componentes: El combustible nuclear compuesto de material fisionable, un moderador nuclear, una fuente de neutrones, barras de control, refrigerante del reactor, y un escudo y sistema de contención.

Combustibles nucleares

El combustible nuclear consiste en un isótopo fisionable, como el uranio-235, que debe estar presente en cantidad suficiente para proporcionar una reacción en cadena autosostenida. En la mayoría de los reactores de agua presurizados, cada conjunto de combustible consiste en barras de combustible que contienen muchos pellets de combustible del tamaño de un dedal, revestidos de cerámica, de uranio enriquecido (generalmente UO₂). Los reactores nucleares modernos pueden contener hasta 10 millones de pellets de combustible.

El uranio-235 es un combustible útil porque en promedio produce más de un neutrón por fisión, pero su abundancia natural es de alrededor del 0,7 por ciento en peso. La mayoría de los reactores de potencia requieren que su combustible sea enriquecido por lo menos de 5 a 3 por ciento de uranio-235 en peso.

Moderadores nucleares

Los neutrones producidos por las reacciones nucleares se mueven demasiado rápido para causar fisión U-235 de manera fiable. En primer lugar, deben ralentizarse para ser absorbidos por el combustible y producir reacciones nucleares adicionales. Un moderador nuclear es una sustancia que ralentiza los neutrones a una velocidad lo suficientemente baja como para causar fisión. Los primeros reactores utilizaban grafito de alta pureza como moderador. Los reactores modernos suelen utilizar agua pesada o agua ligera como moderadores.

Como los neutrones tienen un tamaño similar al de los núcleos de hidrógeno, cuando golpean los átomos de hidrógeno en las moléculas de agua, pierden una cantidad sustancial de energía cinética. El agua pesada es un mejor moderador, debido a que el deuterio ya tiene un neutrón y es poco probable que absorba otro neutrón de la manera que el hidrógeno-1 a veces lo hará. Los moderadores como el agua y el grafito también funcionan como un reflector de neutrones para mantener los neutrones en el núcleo en una distribución uniforme.

Fuente de neutrones

Aunque la fisión de uranio 238 y uranio 235 es espontánea, el proceso es impredecible, y estas fuentes intrínsecas generan muy pocos neutrones. Por lo tanto, un reactor requiere un emisor de neutrones para iniciar la reacción en cadena de la fisión. Una fuente de neutrones como el berilio-9, emparejada con un emisor alfa como el americio-249 o el plutonio-239, es intalada en un reactor con el fin de producir neutrones para iniciar la reacción en cadena.

Barras de control

El nivel de potencia del reactor se describe por el factor de multiplicación de neutrones, indicado por k. Es la relación entre el número de neutrones producidos por fisión en una generación y el número de neutrones producidos por fisión en la generación anterior.

Cuando k es inferior a 1, el reactor es subcrítico y la producción de energía está disminuyendo; cuando k es igual a 1, el reactor es crítico y la producción de energía es constante; y cuando k es mayor que 1, el reactor es supercrítico y la producción de energía está aumentando.

Los reactores nucleares utilizan barras de control para controlar la velocidad de fisión del combustible nuclear ajustando el número de neutrones lentos presentes para mantener la velocidad de reacción en cadena en un nivel seguro. Las barras de control están hechas de boro, cadmio, hafnio u otros elementos que pueden absorber neutrones.

Cuando los conjuntos de barras de control se insertan en el elemento de combustible en el núcleo del reactor, absorben una fracción mayor de los neutrones lentos, reduciendo así la velocidad de la reacción de fisión y disminuyendo la energía producida. Por el contrario, si se retiran las barras de control, se absorben menos neutrones y aumenta la velocidad de fisión y la producción de energía. En caso de emergencia, la reacción en cadena se puede detener insertando completamente todas las barras de control en el centro del núcleo entre las barras de combustible.

Refrigerantes del reactor

En un reactor de agua a presión, el refrigerante del reactor se utiliza para transportar el calor producido por la reacción de fisión a una caldera externa y una turbina, donde se transforma en electricidad. A menudo se utilizan dos bucles de refrigerante de intercambio térmico para evitar la transferencia de refrigerante contaminado a la turbina de vapor y a la torre de refrigeración. Más comúnmente, el agua se usa como refrigerante. Otros refrigerantes en reactores especializados incluyen sodio fundido, plomo, una mezcla de plomo-bismuto o sales fundidas. Una gran torre de refrigeración hiperboloide condensa el vapor en el circuito de refrigeración secundario y a menudo se encuentra a cierta distancia del reactor real.

Sistema de protección y contención

Los reactores de agua a presión están equipados con un sistema de contención (o escudo) que normalmente consta de tres partes: i) una capa de acero de 20 a 3 centímetros de grosor; el moderador de la capa absorbe gran parte de la radiación neutrónica producida por el reactor; (ii) un escudo principal de 1–3 metros de hormigón de alta densidad que absorbe los rayos γ y los rayos X; iii) blindaje adicional para absorber la radiación incidente de los procesos de blindaje de (i) y (ii). Además, los reactores de agua a presión a menudo están cubiertos con una cúpula de acero o concreto diseñada para contener cualquier material radiactivo que pueda ser liberado por un accidente del reactor.

Este texto es adaptado de  Openstax, Química 2e, Sección 21.4: Transmutación y Energía Nuclear.

La fisión nuclear libera una gran cantidad de energía térmica, lo que permite la generación de electricidad a partir de una turbina de vapor. El combustible nuclear es típicamente un nucleído fisionable como el uranio-235 que produce más de un neutrón por fisión en promedio. Los moderadores de neutrones deben ralentizar los neutrones rápidos liberados por fisión porque los neutrones térmicos inician reacciones en cadena del combustible fisible de la manera más eficiente.

El agua es un buen moderador porque los núcleos de hidrógeno y los neutrones tienen tamaños comparables, lo que garantiza que los neutrones pierdan una energía cinética sustancial en la colisión. El agua pesada es incluso mejor, ya que el deuterio ya tiene un neutrón y es poco probable que absorba otro. Los moderadores también funcionan como un reflector de neutrones para mantener los neutrones en el núcleo en una distribución uniforme.

Debido a que la fisión espontánea del uranio-235 o 238 es impredecible, se instala una fuente de neutrones en un reactor para asegurar el inicio controlado de la reacción en cadena. El estado de la reacción en cadena se describe mediante el factor de multiplicación de neutrones, k:la relación entre el número de neutrones producidos por fisión en una generación y el número de neutrones producidos por fisión en la generación anterior. Cuando k es menor que 1, el reactor es subcrítico y la producción de energía disminuye.

Cuando k es 1, el reactor es crítico y la producción de energía es constante. Cuando k es mayor que 1, el reactor es supercrítico y la producción de energía aumenta. La reacción en cadena se controla con barras de control hechas de materiales que absorben neutrones como el boro o el cadmio.

Las barras de control totalmente insertadas absorben una gran cantidad de neutrones, manteniendo el reactor subcrítico. Retirar las barras de control permite que ocurran más y más fisiones. El refrigerante, como el agua, transfiere el calor del núcleo del reactor para producir vapor para la turbina.

A medida que el reactor se calienta, los neutrones se mueven más rápido y es menos probable que causen fisiones, lo que ayuda a evitar el sobrecalentamiento. El núcleo está protegido por materiales como agua y gruesas capas de hormigón. El diseño general del núcleo y la estructura de contención que dependende del tipo específico de reactor.

• Nuclear Fuel - Fissionable material used in a nuclear reactor to generate power (e.g., uranium-235).
• Nuclear Moderator - Substance that slows down the neutrons in nuclear reactors (e.g., heavy water).
• Neutron Source - Emitter to initiate fission chain reactions (e.g., beryllium-9).
• Control Rods - Absorb neutrons to control fission rate and maintain safe power levels (e.g., boron).
• Reactor Coolant - Used to carry the heat produced by fission to an external boiler and turbine (e.g., water).
• Shield and containment system - Designed to contain any radioactive materials that might be released by a reactor accident.

• Define Nuclear Fuel - Explain the composition and function of nuclear fuel (e.g., uranium-235).
• Contrast Control Rods vs Reactor Coolants - Distinguish their roles in maintaining safe nuclear reactions and power generation (e.g., boron rod vs. water).
• Explore Nuclear Reactors - Describe the setup and working of nuclear reactors (e.g., sequence of components).
• Explain Uranium-235 Fission - Overview of how uranium undergoes fission in reactors to generate energy.
• Apply in Context - Illustrate how factors like control rods and coolants help maintain safe chain reactions in nuclear reactors.

• [Question 1] What is nuclear fuel and how is it used in nuclear reactors?
• [Question 2] What are control rods and how do they maintain safe fission rates?
• [Question 3] How does a moderator like heavy water contribute to nuclear reactor functionality?

• Students - Understanding key concepts about nuclear reactors can build a foundation for understanding nuclear physics and chemistry.
• Educators - Provides a clear framework to teach about nuclear energy, fission process, and components of a nuclear reactor.
• Researchers - A comprehensive understanding of nuclear reactors supports development and enhancement of nuclear technologies.
• Science Enthusiasts - Offers insights into the fascinating world of nuclear power generation and associated technologies.