REACTORES NUCLEARES
¿Qué es un Reactor Nuclear?
Es una instalación física donde se produce, mantiene y
controla una reacción nuclear en cadena. Por lo tanto, en un reactor nuclear se
utiliza un combustible adecuado que permita asegurar la normal producción de
energía generada por las sucesivas fisiones. Algunos reactores pueden disipar
el calor obtenido de las fisiones, otros sin embargo utilizan el calor para
producir energía eléctrica.
El primer reactor construido en el mundo fue
operado en 1942, en dependencias de
Elementos de un Reactor Nuclear
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1. Nucleo |
5. Vasija |
9. Condensador |
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2. Barras de control |
6. Turbina |
10. Agua de refrigeración |
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3. Generador de vapor |
7. Alternador |
11. Contención de hormigón |
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4. Presionador |
8. Bomba |
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El Combustible:
Material fisionable utilizado en cantidades
específicas y dispuesto en forma tal, que permite extraer con rapidez y
facilidad la energía generada. El combustible en un reactor se encuentra en
forma sólida, siendo el más utilizado el Uranio bajo su forma isotópica de
U-235. Sin embargo, hay elementos igualmente fisionables, como por ejemplo el
Plutonio que es un subproducto de la fisión del Uranio.
En la naturaleza existe poca cantidad de Uranio
fisionable, es alrededor del 0,7%, por lo que en la mayoría de los reactores se
emplea combustible “enriquecido”, es decir, combustible donde se aumenta la
cantidad de Uranio 235.
Barras de Combustible:
Son el lugar físico donde se confina el
Combustible Nuclear. Algunas Barras de Combustible contienen el Uranio mezclado
en Aluminio bajo la forma de láminas planas separadas por una cierta distancia
que permite la circulación de fluido para disipar el calor generado. Las
láminas se ubican en una especie de caja que les sirve de soporte.
Núcleo del Reactor:
Está constituido por las Barras de Combustible.
El núcleo posee una forma geométrica que le es característica, refrigerado por
un fluido, generalmente agua. En algunos reactores el núcleo se ubica en el
interior de una piscina con agua, a unos
Barras de Control:
Todo reactor posee un sistema que permite
iniciar o detener las fisiones nucleares en cadena. Este sistema lo constituyen
las Barras de Control, capaces de capturar los neutrones que se encuentran en
el medio circundante. La captura neutrónica evita que se produzcan nuevas
fisiones de núcleos atómicos del Uranio. Generalmente, las Barras de Control se
fabrican de Cadmio o Boro.
Moderador:
Los neutrones obtenidos de la fisión nuclear
emergen con velocidades muy altas (neutrones rápidos). Para asegurar
continuidad de la reacción en cadena, es decir, procurar que los “nuevos
neutrones” sigan colisionando con los núcleos atómicos del combustible, es
necesario disminuir la velocidad de estas partículas (neutrones lentos). Se
disminuye la energía cinética de los neutrones rápidos mediante choques con
átomos de otro material adecuado, llamado Moderador.
Se utiliza como Moderador el agua natural (agua
ligera), el agua pesada (deuterada), el Carbono
(grafito), etc.
Refrigerante:
El calor generado por las fisiones se debe
extraer del núcleo del reactor. Para lograr este proceso se utilizan fluidos en
los cuales se sumerge el núcleo. El fluido no debe ser corrosivo, debe poseer
gran poder de absorción calorífico y tener pocas impurezas. Se puede utilizar
de refrigerante el agua ligera, el agua pesada, el anhídrido carbónico, etc..
Blindaje:
En un reactor se produce gran cantidad de todo
tipo de radiaciones, las cuales se distribuyen en todas direcciones. Para evitar
que los operarios del reactor y el medio externo sean sometidos indebidamente a
tales radiaciones, se utiliza un adecuado “Blindaje Biológico” que rodea al
reactor. Los materiales más usados en la construcción de blindajes para un
reactor son el agua, el plomo y el hormigón de alta densidad, con a los menos
Tipos de Reactores Nucleares
Existen dos tipos de reactores:
- Los Reactores de Investigación.
Utilizan los neutrones generados en la fisión para producir radioisótopos o
bien para realizar diversos estudios en materiales.
- Los Reactores de Potencia.
Estos reactores utilizan el calor generado en la fisión para producir energía
eléctrica, desalinización de agua de mar, calefacción, o bien para sistemas de
propulsión.
Existen otros criterios para clasificar diversos
tipos de reactores:
- Según la velocidad de los neutrones que
emergen de las reacciones de fisión. Se habla de reactores rápidos o bien
reactores térmicos.
- Según el combustible utilizado. Hay reactores
de Uranio natural ( la proporción de Uranio utilizado en el combustible es muy
cercana a la que posee en la naturaleza), de Uranio enriquecido (se aumenta la
proporción de Uranio en el combustible).
- Según el moderador utilizado. Se puede
utilizar como moderador el agua ligera, el agua pesada o el grafito.
- Según el refrigerante utilizado. Se utiliza
como refrigerante el agua (ligera o pesada), un gas (anhídrido carbónico,
aire), vapor de agua, sales u otros líquidos. Estos materiales pueden actuar en
cierto tipo de reactores como refrigerante y moderador a la vez.
Hay dos tipos de reactores de potencia de mayor
uso en el mundo: el Reactor de Agua en Ebullición y el Reactor de Agua a
Presión:
Reactor de Agua en Ebullición (BWR)
Ha sido desarrollado principalmente en Estados
Unidos, Suecia y Alemania.
Utiliza agua natural purificada como moderador y
refrigerante. Como combustible dispone de Uranio-238 enriquecido con
Uranio-235, el cual como se sabe, facilita la generación de fisiones nucleares.
El calor generado por la reacciones en cadena se
utiliza para hacer hervir el agua. El vapor producido se introduce en una
turbina que acciona un generador eléctrico. El vapor que sale de la turbina
pasa por un condensador, donde es transformado nuevamente en agua líquida.
Posteriormente vuelve al reactor al ser impulsada por un bomba adecuada.
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1. Núcleo del reactor. |
4. Presionador. |
7. Alternador. |
10. Agua de refrigeración. |
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2. Barras de control. |
5. Vasija. |
8. Bomba |
11. Transformador. |
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3. Cambiador de calor (generador de vapor). |
6. Turbina. |
9. Condensador. |
12. Recinto de contención de hormigón armado. |
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13. Contención primaria de acero. |
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Reactor de Agua a Presión (P.W.R.)
Es ampliamente utilizado en Estados Unidos,
Alemania, Francia y Japón.
El refrigerante es agua a gran presión. El
moderador puede ser agua o bien grafito. Su combustible también es Uranio-238
enriquecido con Uranio-235. El reactor se basa en el principio de que el agua
sometida a grandes presiones puede evaporarse sin llegar al punto de
ebullición, es decir, a temperaturas mayores de
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1. Núcleo del reactor. |
5. Vasija. |
9. Condensador. |
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2. Barras de control. |
6. Turbina. |
10. Agua de refrigeración. |
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3. Cambiador de calor (generador de vapor). |
7. Alternador. |
11. Transformador. |
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4. Presionador. |
8. Bomba. |
12. Recinto de contención de hórmigon
armado. |
Seguridad en los Reactores Nucleares
Sistemas de Control.
Básicamente está constituido por las barras de
control y por diversa instrumentación de monitoreo.
Las barras de control son accionadas por una
serie de sistemas mecánicos, eléctricos u electrónicos, de tal manera de
asegurar con rapidez la extinción de las reacciones nucleares.
La instrumentación de monitoreo se ubica en el
interior o en el exterior del núcleo del reactor y su finalidad es mantener
constante vigilancia de aquellos parámetros necesarios para la seguridad:
presión, temperatura, nivel de radiación, etc..
Sistemas de Contención.
Constituido por una serie de barreras múltiples que
impiden el escape de la radiación y de los productos radiactivos.
La primera barrera, en cierto tipo de reactores,
es un material cerámico que recubre el Uranio utilizado como elemento
combustible.
La segunda barrera es la estructura que contiene
al Uranio, es decir, se trata de las barras de combustible.
La tercera barrera es la vasija que contiene el
núcleo del reactor. En los reactores de potencia se denomina vasija de presión
y se construye de un acero especial con un revestimiento interior de acero
inoxidable.
La cuarta barrera lo constituye el edificio que
alberga al reactor en su conjunto. Se conoce con el nombre de “Edificio de
Contención” y se construye de hormigón armado de, a lo menos,
Concepto de Seguridad a Ultranza.
Toda central nuclear se diseña y construye bajo
el concepto de Seguridad a Ultranza, es decir, se privilegia ante todo la
seguridad de toda instalación. Se busca reducir al mínimo posible toda
exposición a las radiaciones, no sólo en caso de accidente, sino durante las
operaciones normales de su personal.
Ciclo del Combustible Nuclear
El Ciclo del Combustible Nuclear son todos los
procesos por los cuales se somete al Uranio desde que se extrae de la tierra
hasta su utilización en el reactor y su posterior reelaboración o su
almacenamiento como residuo. Consta de las siguientes etapas:
1. Primera etapa de Minería y Concentración del
Uranio.
En esta etapa se extrae el mineral y se separa
el Uranio que contiene. Posteriormente se eliminan las impurezas que aún
contiene el mineral de Uranio obtenido en el proceso de separación inicial. La
concentración del mineral consiste en utilizar procesos físico-químicos para
aumentar los contenidos de Uranio a valores superiores al 70%. En todo el
proceso se utiliza Uranio natural cuya composición isotópica es de
aproximadamente: 99% de Uranio-238, 0,7% de Uranio-235 y 0,006% de Uranio-234.
2. Segunda etapa de Conversión y
Enriquecimiento.
El Uranio concentrado se purifica por medio de
sucesivos tratamientos en disoluciones y precipitaciones hasta que se convierte
en un elemento llamado Hexafloruro de Uranio.
Posteriormente el Hexafloruro de Uranio se enriquece,
es decir, se aumenta la proporción de átomos de Uranio-235 con respecto al
Uranio-238. Para ello se realiza una separación selectiva a nivel atómico,
utilizando procesos de difusión gaseosa, ultracentrifugación,
procesos aerodinámicos, intercambio químico o métodos de separación por láser.
3. Tercera etapa de Fabricación de Elementos
Combustibles.
El Uranio enriquecido se somete a presión y
altas temperaturas para transformarlo en pequeños cuerpos cerámicos. Las
pastillas cerámicas se colocan en el interior de unas varillas rellenadas con
un gas inerte. Las varillas se apilan en un tubo fabricado de una aleación de
circonio, dando forma al llamado Elemento Combustible.
4. Cuarta etapa de Uso del Combustible en un
reactor.
Los Elementos Combustibles se introducen en el
interior del reactor y forman parte del núcleo del mismo. El Uranio presente en
los Elementos Combustibles genera las fisiones que activan al reactor y a medida
que transcurre el tiempo se gasta, dejando como desecho los productos de
fisión, por ejemplo el Plutonio.
En las centrales de potencia el combustible
gastado se almacena temporalmente en la propia instalación, en una piscina
especialmente adecuada para ello, lo que permite bajar la actividad de los
productos de fisión de vida corta.
5. Quinta etapa de Reelaboración.
Se sabe que en el combustible gastado se ha
consumido sólo una pequeña fracción del Uranio que contiene. Se procede
entonces a la reelaboración del combustible con el objeto de separar el Uranio
que aún es utilizable. En el proceso de reelaboración también se pueden aislar
ciertas cantidades de Plutonio u otros productos de fisión, los cuales son de
utilidad en el funcionamiento de algunos tipos de reactores. La reelaboración
es compleja y demanda fuertes inversiones en plantas industriales de alta
tecnología.
6. Sexta etapa de Almacenamiento de Residuos.
El almacenamiento de los residuos puede ser
temporal o definitivo. El almacenamiento temporal supone, en algunos casos, el
control y posterior reelaboración del combustible gastado. Si no es posible
llevar a cabo la reelaboración el combustible gastado se almacena en forma
definitiva.
Los residuos radiactivos se pueden clasificar
según su origen, su forma (sólidos, líquidos, gaseosos), su nivel de
radiactividad, por la vida media de los isótopos radiactivos que contienen (de
vida larga, de vida corta), por la intensidad de las radiaciones que emiten,
por su radiotoxicidad, o bien por sus necesidades de
almacenamiento.
El almacenamiento definitivo generalmente se
aplica a aquellos residuos de alta actividad y vida larga, y se puede realizar
enterrándolos a distancias relativamente cortas respecto de la superficie
terrestre (menos de
Es importante señalar, que el volumen de
residuos radiactivos producidos por una central nuclear dependerá de las
características de orden técnico del reactor que los produce. Es así como, los
reactores de investigación poseen un núcleo pequeño con alta emisión de
neutrones, generando cantidades de residuos bastante menores en comparación a
los reactores de potencia.