Reactor Nuclear

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Núcleo de CROCUS, un pequeño reactor nuclear utilizado para investigación en el EPFL en Suiza

Un reactor nuclear, conocido inicialmente como una pila atómica, es un dispositivo utilizado para iniciar y controlar una reacción nuclear en cadena. Los reactores nucleares son utilizados en plantas de potencia para generar electricidad y en propulsión de barcos. El calor de la fisión nuclear es transferido a un fluido  (agua o gas), el cual se hace pasar a través de turbinas de vapor. Estas pueden mover las hélices de un barco como también hacer girar generadores eléctricos. El vapor generado mediante un reactor nuclear, en principio, puede ser utilizado para calor de proceso industrial o para calefacción. Algunos reactores suelen usarse para la producción de isótopos para uso médico e industrial, o para producción de armas con base en plutonio. Algunos se usan solo con fines de investigación. Hasta abril de 2014, el IAEA (International Atomic Energy Commission) informó que había 435 reactores de potencia en operación, en 31 países alrededor del mundo.

Mecanismo

Una fisión nuclear inducida. Un neutrón es absorbido por el núcleo de un átomo de uranio-235, el cual se parte en elementos más livianos que se desplazan a gran velocidad (productos de fisión) y neutrones libres. Aunque ambos,  reactores y armas nucleares dependen de las reacciones en cadena, la tasa de las reacciones en un reactor ocurre mucho más despacio que en una bomba.

Tal como las estaciones convencionales de potencia generan electricidad extrayendo la energía térmica liberada de combustibles fósiles, los reactores nucleares convierten la energía calórica liberada por la fisión nuclear controlada en energía térmica para convertirlas posteriormente en otras formas de energía como mecánicas o eléctricas.

Fisión

Cuándo un núcleo atómico físil como el del uranio-235 o plutonio-239 absorbe un neutrón, puede experimentar una fisión nuclear. El núcleo pesado se parte en dos o más núcleos más ligeros, (los productos de fisión), liberando energía cinética, radiación gamma, y neutrones libres. Una porción de estos neutrones más tarde pueden ser absorbidos por otro átomo físil y provocar otras fisiónes, las cuales liberan más neutrones, y así sucesivamente. Esto es conocido como una reacción nuclear en cadena.

Para controlar tal reacción nuclear en cadena, venenos de neutrones y moderadores de neutrones pueden cambiar la porción de neutrones que irá a producir más fisiónes. Los reactores nucleares generalmente tienen sistemas automáticos y manuales para detener la reacción de fisión si se detecta condiciones inseguras.

Los moderadores comúnmente usados incluyen agua (ligera) (en 74.8% de los reactores del mundo), grafito sólido (20% de reactores) y agua pesada (5% de reactores). Algunos reactores experimentales han utilizado berilio, y los hidrocarburos han sido sugeridos como otra posibilidad.Plantilla:Failed verification

Generación de calor

El núcleo de un reactor genera calor de distintas maneras:

•  La energía cinética de los productos de fisión es convertida en energía térmica cuándo estos núcleos colisionan con átomos cercanos.
• El reactor absorbe algunos de los rayos gamma que se produjeron durante la fisión y convierte su energía en calor.
• También calor es producido por el decaimiento radioactivo de productos de fisión y materiales que han sido activados por la absorción de un neutrón. Este calor de decaimiento permanecerá por algún tiempo incluso después de que el reactor esté apagado.

Un kilogramo de uranio-235 (U-235) convertido vía los procesos nucleares libera aproximadamente tres millones de veces más energía que un kilogramo del carbón quemado convencionalmente (7.2 × 1013 joules por kilogramo de uranio-235 versus 2.4 × 107 joules por kilogramo de carbón).

Enfriamiento

Un refrigerante de reactor nuclear — normalmente agua aunque a veces puede ser un gas o un metal líquido (como sodio líquido) o una sal fundida — la cual circula pasando por el núcleo de reactor para absorber el calor que genera. El calor es extraído fuera del reactor y es entonces utilizado para generar vapor. La mayoría de los sistemas de enfriamiento de los reactores emplean un sistema que es físicamente separado del agua que será calentada para producir vapor presurizado para mover las turbinas, como el reactor de agua a presión. Aun así, en algunos reactores el agua para las turbinas de vapor ebulle directamente en el núcleo de reactor; por ejemplo en el reactor de agua en ebullición.

Control de la reactividad

La tasa de reacciones de fisión dentro de un núcleo de un reactor pueden ser ajustadas para controlar la cantidad de neutrones que es capaz de inducir nuevas fisiónes. Los reactores nucleares típicamente emplean varios métodos de control de neutrónes para ajustar la potencia del reactor. Algunos de estos métodos que surgen naturalmente de la física de decaimiento radioactivo es considerada para la operación del reactor, mientras otros mecanismos son incorporados en el diseño del reactor para un propósito distinto.

El método más rápido para ajustar los niveles de neutrones que inducen fisión en un reactor es vía el movimiento de las barras de control. Las barras de control están hechas de venenos de neutrónes y por tanto tienden a absorber neutrones. Cuándo una barra de control se inserta más profundamente en el reactor, absorbe más neutrones que el material que desplaza—a menudo el moderator. Estos resultados de acción con menos neutrones disponibles para producir fisión, reducen la potencia del reactor. En cambio, extrayendo las barras de control resultará en un aumento de la tasa de fisiones y un aumento de potencia.

La física del decaimiento radioactivo también afecta las poblaciones de neutrones en un reactor. Uno de esos procesos es la emisión de neutrónes retardados por un isotopo rico en neutrones. Estos neutrones retardados dan cuenta del 0.65% aproximadamente de los neutrones totales que se produjeron en la fisión, con el resto (denominados "prompt neutrons ") liberados inmediatamente después de la fisión. Los productos de fisión qué producen neutrones retardados tienen vidas medias para su decaimiento por emisión de neutrones que están en el rango de milisegundos a varios minutos, por lo tanto, se requiere un tiempo considerable para determinar exactamente cuándo un reactor logra el punto crítico. Manteniendo el reactor en la zona de reactividad-en -cadena donde los neutrones retardados son necesarios para conseguir un estado de masa crítica deja dispositivos mecánicos u operadores humanos para controlar una reacción de cadena en "tiempo real"; de otra forma, el tiempo entre criticalidad y fusión del núcleo del reactor nuclear a raíz de una subida exponencial de potencia que surge de la reacción de cadena nuclear normal, sería demasiado corto para permitir la intervención. Esta última etapa, dónde los neutrones retardados ya no son requeridos para mantener la criticalidad, es conocido como el punto crítico prompt. Hay una escala para describir criticalidad en forma numérica, en donde la criticalidad bare es conocida como cero dólares y el punto crítico puntual es un dólar, y los otros puntos en el proceso se interpolan en céntimos.

Referencias

• Plantilla:Jp icon ソヴィエト連邦における宇宙用原子炉の開発とその実用