REACTORES NUCLEARES

Qu es un Reactor Nuclear?Es una instalacin fsica donde se produce, mantiene y controla una reaccin nuclear en cadena. Por lo tanto, en un reactor nuclear se utiliza un combustible adecuado que permita asegurar la normal produccin de energa generada por las sucesivas fisiones. Algunos reactores pueden disipar el calor obtenido de las fisiones, otros sin embargo utilizan el calor para producir energa elctrica.El primer reactor construido en el mundo fue operado en 1942, en dependencias dela Universidadde Chicago (USA), bajo la atenta direccin del famoso investigadorEnricoFermi. De ah el nombre de Pila de Fermi, como posteriormente se denomin a este reactor. Su estructura y composicin eran bsicas si se le compara con los reactores actuales existentes en el mundo, basando su confinamiento y seguridad en slidas paredes de ladrillos de grafito.Si todos los neutrones emitidos en las fisiones produjeran nuevas fisiones, es evidente que la reaccin ira creciendo en forma descontrolada. A manera de ilustracin, esto es lo que ocurre en la bomba atmica, en la cual la reaccin no se controla y en unos instantes se libera una cantidad increble de energa. Este incremento es muy rpido y produce una explosin extraordinariamente violenta y energtica, caracterstica de tales artefactos. Afortunadamente, es posible controlar la reaccin, haciendo que, en promedio, slo uno de los neutrones emitidos en cada fisin produzca otra fisin, y esto, a su vez, se logra dejando que cierta cantidad de neutrones se escapen del sistema y que otros sean absorbidos por ncleos que no se fisionan (a estos ncleos se les llama venenos porque tienden a matar la reaccin, absorbiendo neutrones).En un reactor nuclear la reaccin en cadena se mantiene a un nivel casi constante, y que por su diseo y calidad de su combustible no pueden explotar como bombas atmicas.La mayor parte de la energa liberada en la fisin (aproximadamente 85%) se libera en forma de calor en un tiempo muy corto, despus de que el proceso ocurre. El resto de la energa proviene del decaimiento radiactivo de los productos de fisin, nombre que reciben los fragmentos una vez que se han frenado y comienzan a decaer. El decaimiento radiactivo contina aun cuando la reaccin en cadena se ha detenido, por lo que el diseo de un reactor debe tener en cuenta esta energa para poder manejarla adecuadamente.Generalmente los elementos combustibles tienen una reactividad mayor que cero, y a esta cantidad se le llama exceso de reactividad. Si el reactor consistiera nicamente de elementos combustibles sera supercrtico, pero ah es donde entran en funcin las llamadas barras de control, que tienen una reactividad negativa. Estas barras de control se introducen al ncleo lo necesario para que el valor neto de reactividad sea cero, es decir, que el reactor sea crtico. Si se quiere apagar el reactor, se introducen ms las barras de control, con lo cual la reactividad llega a ser negativa y el reactor -siendo subcrtico- comienza a apagarse.El hecho de que inicialmente el reactor tenga un exceso de reactividad, tiene el objeto de ir compensando la reactividad negativa que se crea en todos los reactores a causa de ciertos fenmenos como la acumulacin de venenos derivados de los productos de la fisin, los aumentos de temperatura del ncleo, as como la prdida de reactividad positiva provocada por el consumo de combustible.

Factor de multiplicacin y reactividadEs muy conveniente definir el trmino llamado factor de multiplicacin k, esto es, el nmero de neutrones en una generacin (cada ciclo de la reaccin en cadena) dividido entre el nmero de neutrones en la generacin inmediata anterior. Claramente, si k = 1, la reaccin ser estable; o sea que el nmero de neutrones ni crece ni disminuye. Si k < 1, la reaccin est disminuyendo, pues en cada generacin hay menos neutrones; y si k > 1, la reaccin est creciendo.Un reactor nuclear es un aparato en el cual se controla a voluntad una reaccin de fisin en cadena. Cuando un reactor tiene k = 1, o sea que la reaccin se mantiene estable, se dice que el reactor est crtico; cuando k < 1 nos referimos a un estado subcrtico y cuando k > 1, decimos que es supercrtico.Otro trmino muy usado en teora de reactores es la reactividad (r), definida como:De esta expresin se puede deducir que cuando un reactor est crtico (o sea que k = 1) la reactividad es cero. En un reactor subcrtico (o sea k < 1), la reactividad es negativa y en uno en estado supercrtico, la reactividad es positiva.

ELEMENTOS DE UN REACTOR NUCLEAR

1.Nucleo5. Vasija9. Condensador

2. Barras de control6. Turbina10. Agua de refrigeracin

3. Generador de vapor7. Alternador11. Contencin de hormign

4.Presionador8. Bomba

El Combustible:Material fisionable utilizado en cantidades especficas y dispuesto en forma tal, que permite extraer con rapidez y facilidad la energa generada. El combustible en un reactor se encuentra en forma slida, siendo el ms utilizado el Uranio bajo su forma isotpica de U-235. Sin embargo, hay elementos igualmente fisionables, como por ejemplo el Plutonio que es un subproducto de la fisin del Uranio.En la naturaleza existe poca cantidad de Uranio fisionable, es alrededor del 0,7%, por lo que en la mayora de los reactores se emplea combustible enriquecido, es decir, combustible donde se aumenta la cantidad de Uranio 235.

Barras de Combustible:Son el lugar fsico donde se confina el Combustible Nuclear. Algunas Barras de Combustible contienen el Uranio mezclado en Aluminio bajo la forma de lminas planas separadas por una cierta distancia que permite la circulacin de fluido para disipar el calor generado. Las lminas se ubican en una especie de caja que les sirve de soporte.

Ncleo del Reactor:Est constituido por las Barras de Combustible. El ncleo posee una forma geomtrica que le es caracterstica, refrigerado por un fluido, generalmente agua. En algunos reactores el ncleo se ubica en el interior de una piscina con agua, a unos10 a12 metrosde profundidad, o bien al interior de una vasija de presin construida en acero.

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 neutrnica evita que se produzcan nuevas fisiones de ncleos atmicos del Uranio. Generalmente, las Barras de Control se fabrican de Cadmio o Boro.

Moderador:Los neutrones obtenidos de la fisin nuclear emergen con velocidades muy altas (neutrones rpidos). Para asegurar continuidad de la reaccin en cadena, es decir, procurar que los nuevos neutrones sigan colisionando con los ncleos atmicos del combustible, es necesario disminuir la velocidad de estas partculas (neutrones lentos). Se disminuye la energa cintica de los neutrones rpidos mediante choques con tomos 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 ncleo del reactor. Para lograr este proceso se utilizan fluidos en los cuales se sumerge el ncleo. El fluido no debe ser corrosivo, debe poseer gran poder de absorcin calorfico y tener pocas impurezas. Se puede utilizar de refrigerante el agua ligera, el agua pesada, el anhdrido carbnico, 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 Biolgico que rodea al reactor. Los materiales ms usados en la construccin de blindajes para un reactor son el agua, el plomo y el hormign de alta densidad, con a los menos1,5 metrosde espesor.

TIPOS DE REACTORES NUCLEARESExisten dos tipos de reactores:-Los Reactores de Investigacin.Utilizan los neutrones generados en la fisin para producir radioistopos o bien para realizar diversos estudios en materiales.

-Los Reactores de Potencia.Estos reactores utilizan el calor generado en la fisin para producir energa elctrica, desalinizacin de agua de mar, calefaccin, o bien para sistemas de propulsin.Existen otros criterios para clasificar diversos tipos de reactores:- Segn la velocidad de los neutrones que emergen de las reacciones de fisin. Se habla de reactores rpidos o bien reactores trmicos.- Segn el combustible utilizado. Hay reactores de Uranio natural ( la proporcin de Uranio utilizado en el combustible es muy cercana a la que posee en la naturaleza), de Uranio enriquecido (se aumenta la proporcin de Uranio en el combustible).- Segn el moderador utilizado. Se puede utilizar como moderador el agua ligera, el agua pesada o el grafito.- Segn el refrigerante utilizado. Se utiliza como refrigerante el agua (ligera o pesada), un gas (anhdrido carbnico, aire), vapor de agua, sales u otros lquidos. 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 Ebullicin y el Reactor de Agua a Presin:

REACTOR DE AGUA EN EBULLICIN (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 generacin 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 elctrico. El vapor que sale de la turbina pasa por un condensador, donde es transformado nuevamente en agua lquida. Posteriormente vuelve al reactor al ser impulsada por un bomba adecuada.1. Ncleo del reactor.4.Presionador.7. Alternador.10. Agua de refrigeracin.

2. Barras de control.5. Vasija.8. Bomba11. Transformador.

3. Cambiador de calor (generador de vapor).6. Turbina.9. Condensador.12. Recinto de contencin de hormign armado.

13. Contencin primaria de acero.

REACTOR DE AGUA A PRESIN (P.W.R.)

Es ampliamente utilizado en Estados Unidos, Alemania, Francia y Japn.El refrigerante es agua a gran presin. El moderador puede ser agua o bien grafito. Su combustible tambin 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 ebullicin, es decir, a temperaturas mayores de100C. El vapor se produce a unos600C, el cual pasa a un intercambiador de calor donde es enfriado y condensado para volver en forma lquida al reactor. En el intercambio hay traspaso de calor a un circuito secundario de agua. El agua del circuito secundario, producto del calor, produce vapor, que se introduce en una turbina que acciona un generador elctrico.

1. Ncleo del reactor.5. Vasija.9. Condensador.

2. Barras de control.6. Turbina.10. Agua de refrigeracin.

3. Cambiador de calor (generador de vapor).7. Alternador.11. Transformador.

4.Presionador.8. Bomba.12. Recinto de contencin dehrmigonarmado.

SEGURIDAD EN LOS REACTORES NUCLEARESSISTEMAS DE CONTROL.Bsicamente est constituido por las barras de control y por diversa instrumentacin de monitoreo.Las barras de control son accionadas por una serie de sistemas mecnicos, elctricos u electrnicos, de tal manera de asegurar con rapidez la extincin de las reacciones nucleares.La instrumentacin de monitoreo se ubica en el interior o en el exterior del ncleo del reactor y su finalidad es mantener constante vigilancia de aquellos parmetros necesarios para la seguridad: presin, temperatura, nivel de radiacin, etc..

Constituido por una serie de barreras mltiples que impiden el escape de la radiacin y de los productos radiactivos.La primera barrera, en cierto tipo de reactores, es un material cermico 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 ncleo del reactor. En los reactores de potencia se denomina vasija de presin 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 Contencin y se construye de hormign armado de, a lo menos,90 cmde espesor. Se utiliza para prevenir posibles escapes de productos radiactivos al exterior, resistir fuertes impactos internos o externos, soportar grandes variaciones de presin y mantener una ligera depresin en su interior que asegure una entrada constante de aire desde el exterior, de tal forma de evitar cualquier escape de material activado.CONCEPTO DE SEGURIDAD A ULTRANZA.Toda central nuclear se disea y construye bajo el concepto de Seguridad a Ultranza, es decir, se privilegia ante todo la seguridad de toda instalacin. Se busca reducir al mnimo posible toda exposicin a las radiaciones, no slo en caso de accidente, sino durante las operaciones normales de su personal.CICLO DEL COMBUSTIBLE NUCLEAREl Ciclo del Combustible Nuclear son todos los procesos por los cuales se somete al Uranio desde que se extrae de la tierra hasta su utilizacin en el reactor y su posterior reelaboracin o su almacenamiento como residuo. Consta de las siguientes etapas:

1. Primera etapa de Minera y Concentracin del Uranio.En esta etapa se extrae el mineral y se separa el Uranio que contiene. Posteriormente se eliminan las impurezas que an contiene el mineral de Uranio obtenido en el proceso de separacin inicial. La concentracin del mineral consiste en utilizar procesos fsico-qumicos para aumentar los contenidos de Uranio a valores superiores al 70%. En todo el proceso se utiliza Uranio natural cuya composicin isotpica es de aproximadamente: 99% de Uranio-238, 0,7% de Uranio-235 y 0,006% de Uranio-234.2. Segunda etapa de Conversin y Enriquecimiento.El Uranio concentrado se purifica por medio de sucesivos tratamientos en disoluciones y precipitaciones hasta que se convierte en un elemento llamadoHexaflorurode Uranio. Posteriormente elHexaflorurode Uranio se enriquece, es decir, se aumenta la proporcin de tomos de Uranio-235 con respecto al Uranio-238. Para ello se realiza una separacin selectiva a nivel atmico, utilizando procesos de difusin gaseosa,ultracentrifugacin, procesos aerodinmicos, intercambio qumico o mtodos de separacin por lser.3. Tercera etapa de Fabricacin de Elementos Combustibles.El Uranio enriquecido se somete a presin y altas temperaturas para transformarlo en pequeos cuerpos cermicos. Las pastillas cermicas se colocan en el interior de unas varillas rellenadas con un gas inerte. Las varillas se apilan en un tubo fabricado de una aleacin 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 ncleo 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 fisin, por ejemplo el Plutonio.En las centrales de potencia el combustible gastado se almacena temporalmente en la propia instalacin, en una piscina especialmente adecuada para ello, lo que permite bajar la actividad de los productos de fisin de vida corta.5. Quinta etapa de Reelaboracin.Se sabe que en el combustible gastado se ha consumido slo una pequea fraccin del Uranio que contiene. Se procede entonces a la reelaboracin del combustible con el objeto de separar el Uranio que an es utilizable. En el proceso de reelaboracin tambin se pueden aislar ciertas cantidades de Plutonio u otros productos de fisin, los cuales son de utilidad en el funcionamiento de algunos tipos de reactores. La reelaboracin es compleja y demanda fuertes inversiones en plantas industriales de alta tecnologa.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 reelaboracin del combustible gastado. Si no es posible llevar a cabo la reelaboracin el combustible gastado se almacena en forma definitiva.Los residuos radiactivos se pueden clasificar segn su origen, su forma (slidos, lquidos, gaseosos), su nivel de radiactividad, por la vida media de los istopos radiactivos que contienen (de vida larga, de vida corta), por la intensidad de las radiaciones que emiten, por suradiotoxicidad, 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 enterrndolos a distancias relativamente cortas respecto de la superficie terrestre (menos de20 metros). Tambin, se pueden almacenar en formaciones geolgicas de mediana o gran profundidad (decenas a centenares de metros).Es importante sealar, que el volumen de residuos radiactivos producidos por una central nuclear depender de las caractersticas de orden tcnico del reactor que los produce. Es as como, los reactores de investigacin poseen un ncleo pequeo con alta emisin de neutrones, generando cantidades de residuos bastante menores en comparacin a los reactores de potencia.

Reactores de investigacin en Amrica LatinaArgentina, Brasil, Chile, Mxico y Per cuentan con reactores de investigacin tipo piscina con potencia mnima de 1 MW. En 2005, con el apoyo tcnico del ININ, Colombia puso en operacin un reactor con una potencia de 30 KW. Las aplicaciones de estos reactores son muy variadas y, de acuerdo con las necesidades regionales, tienen impacto en reas como medio ambiente, agricultura, industria, hidrologa, minera, investigacin cientfica y desarrollo tecnolgico, y docencia y formacin de recursos humanos. No obstante, la principal orientacin de los istopos radiactivos producidos en los reactores de investigacin en Amrica Latina es el tratamiento y diagnstico de padecimientos por medio de medicina nuclear. Estas aplicaciones comprenden diagnstico por imgenes, radioinmunoanlisis (RIA), tratamiento de tumores, tratamientos paliativos del dolor en enfermos con metstasis sea, radiosinovectoma, braquiterapia, y terapia en cncer tiroideo y enfermedad de Basedow.CENTRAL NUCLEARUnacentraloplanta nucleares una instalacin industrial empleada para lageneracin de energa elctrica a partir deenerga nuclear. Se caracteriza por el empleo decombustible nuclearfisionableque mediante reacciones nuclearesproporcionacalorque a su vez es empleado, a travs de unciclo termodinmico convencional, para producir el movimiento dealternadoresque transforman eltrabajo mecnicoenenerga elctrica. Estas centrales constan de uno o msreactores.Elncleo de un reactor nuclearconsta de un contenedor ovasijaen cuyo interior se albergan bloques de un material aislante de la radioactividad, comnmente se trata de grafito o de hormign relleno de combustible nuclearformado pormaterial fisible(uranio-235oplutonio-239). En el proceso se establece una reaccin sostenida y moderada gracias al empleo de elementos auxiliares que absorben el exceso deneutronesliberados manteniendo bajo control la reaccin en cadena del material radiactivo; a estos otros elementos se les denominanmoderadores.Rodeando al ncleo de unreactor nuclearest elreflectorcuya funcin consiste en devolver al ncleo parte de los neutrones que se fugan de la reaccin.

FUNCIONAMIENTOLas centrales nucleares constan principalmente de cuatro partes: Elreactor nuclear, donde se produce lareaccin nuclear. Elgenerador de vaporde agua (slo en las centrales de tipoPWR). Laturbina, que mueve ungenerador elctricopara producirelectricidadcon la expansin del vapor. Elcondensador, unintercambiador de calorque enfra el vapor transformndolo nuevamente en lquido.El reactor nuclear es el encargado de realizar lafisinofusinde los tomos delcombustible nuclear, comouranio, generando como residuo elplutonio, liberando una gran cantidad de energa calorfica por unidad de masa de combustible.El generador de vapor es unintercambiador de calorque transmite calor del circuito primario, por el que circula el agua que se calienta en el reactor, al circuito secundario, transformando el agua envapor de aguaque posteriormente se expande en lasturbinas, produciendo el movimiento de stas que a la vez hacen girar losgeneradores, produciendo laenerga elctrica. Mediante untransformadorse aumenta latensin elctricaa la de lared de transporte de energa elctrica.Despus de la expansin en la turbina el vapor escondensadoen elcondensador, donde cede calor al agua fra refrigerante, que en las centralesPWRprocede de lastorres de refrigeracin. Una vez condensado, vuelve al reactor nuclear para empezar el proceso de nuevo.Las centrales nucleares siempre estn cercanas a un suministro de agua fra, como un ro, un lago o el mar, para elcircuito de refrigeracin, ya sea utilizandotorres de refrigeracino no.SISTEMA DE REFRIGERACIN EN UNA CENTRAL NUCLEAREl sistema de refrigeracin se encarga de que se enfre el reactor. Funciona de la siguiente manera: mediante un chorro de agua de 44.600 mg/s aportado por un tercer circuito semicerrado, denominado "Sistema de Circulacin", se realiza la refrigeracin del ncleo externo. Este sistema consta de dos tubos de refrigeracin de tiro artificial, un canal de recogida de tierra y las correspondientes bombas de explosin para la refrigeracin del ncleo externo y elevacin del agua a las torres.TIPOS DE CENTRALES NUCLEARESExisten muchos tipos de centrales nucleares cada una con sus propias ventajas e inconvenientes. En primer lugar hay centrales basadas enfisin nucleary enfusin nuclear, aunque stas se encuentran actualmente en fase experimental y son solo de muy baja potencia.Las centrales de fisin se dividen en dos grandes grupos: por un lado los reactores trmicos y por otro los rpidos. La diferencia principal entre estos dos tipos de reactores es que los primeros presentanmoderadory los ltimos no. Los reactores trmicos (los ms utilizados en la actualidad) necesitan para su correcto funcionamiento que los neutrones emitidos en la fisin, de muy alta energa sean frenados por una sustancia a la que se llama moderador, cuya funcin es precisamente esa. Los reactores rpidos (de muy alta importancia en la generacin III+ y IV) sin embargo no precisan de este material ya que trabajan directamente con los neutrones de elevada energa sin una previa moderacin.Los reactores trmicos se clasifican segn el tipo de moderador que utilizan, as tenemos: Reactores moderados por agua ligera Reactores tradicionales LWR(Light Water Reactor) De diseo occidental PWR(Pressurized Water Reactor) BWR(Boiling Water Reactor) VVERDe diseo ruso Reactores avanzados (basados en los anteriores pero con grandes mejoras en cuanto a seguridad) AP1000(Advanced Pressurized Reactor) Basados en el PWR EPR(European Pressurized Reactor) Basados en PWR ABWR(Advanced Boiling Water Reactor) Basados en BWR VVER 1000basado en el VVER PHWR(Pressurized Heavy Water Reactor) Reactores moderados por agua pesada CANDU(Canadian Natural Deuterium Uranium) Reactores moderados con grafito Reactores tradicionales (generalmente refrigerados por gas) RBMKel deChernbilrefrigerado por agua MAGNOXde diseo ingls GCR(Gas Carbn Reactor) de diseo francs Reactores avanzados AGR(Advanced Gas Reactor) reactor avanzado basado en el GCR HTGR(High Tamperature gas reactor) reactor de gas de alta temperatura PBMR(Pebble Bed Modular Reactor)Por otra parte tenemos los reactores rpidos, todos ellos avanzados, conocidos comoFBR(fast breeder reactors): Refrigerados por metales lquidos Sodio Plomo Plomo-bismutohttp://www.inin.gob.mx/publicaciones/documentospdf/51%20QUE%20SON.pdfhttp://www.uantof.cl/facultades/csbasicas/fisica/fisica%20actual/fisica/academicos/jkasaneva/REACTORES%20NUCLEARES.htmhttp://es.wikipedia.org/wiki/Reactor_nuclearhttp://es.wikipedia.org/wiki/Central_nuclear#Tipo_de_centrales_nucleareshttp://www.endesaeduca.com/Endesa_educa/recursos-interactivos/produccion-de-electricidad/x.-las-centrales-nucleares