Reactor nuclear

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Planta nuclear en Kewaunee, Wisconsin.

Esquema de un reactor nuclear de fisión refrigerado por agua presurizada.

Un reactor nuclear es un dispositivo en donde se produce una reacción nuclear controlada. Se puede utilizar para la obtención de energía, la producción de materiales fisionables, como el plutonio, para ser usados en armamento nuclear, la propulsión de buques o de satélites artificiales o para investigación.

Una central nuclear puede tener varios reactores. Actualmente solo producen energía de forma comercial los reactores nucleares de fisión aunque existen reactores nucleares de fusión experimentales.

La potencia de un reactor de fisión puede variar desde unos pocos kW térmicos a unos 4500 MW térmicos (1500 MW "eléctricos"). Deben ser instalados en zonas cercanas al agua, como cualquier central térmica, para refrigerar el circuito, y se emplazan en zonas sísmicamente estables para evitar accidentes. Poseen grandes medidas de seguridad. No emiten gases que dañen la atmósfera pero producen residuos radiactivos que duran decenas de miles de años.

Tabla de contenidos

1 Reactor nuclear de fisión
- 1.1 Tipos de reactores nucleares de fisión
2 Reactor nuclear de fusión
- 2.1 Posibles combustibles para reactores de fusión nuclear
3 Consideraciones ecológicas sobre los reactores nucleares
4 Véase también
5 Enlaces externos

[editar] Reactor nuclear de fisión

Un reactor nuclear de fisión consta de las siguientes partes esenciales:

Combustible.-Isótopo fisionable (divisible) o fértil (puede convertirse en fisionable por activación neutrónica): Uranio-235, Uranio-238, Plutonio-239, Torio-232, o mezclas de estos (MOX, Mezcla de Óxidos de Uranio y Plutonio). El combustible habitual en las centrales refrigeradas por agua ligera es el dióxido de uranio enriquecido, en el que alrededor del 3% de los núcleos de uranio son de U-235 y el resto de U-238. La proporción de U-235 en el uranio natural es sólo de 0.72%, por lo que es necesario someterlo a un proceso de enriquecimiento en este nucleido.
Moderador (nuclear).- Agua, agua pesada, helio, grafito, sodio metálico: Cumplen con la función de frenar la velocidad de los neutrones producidos por la fisión, para que tengan la oportunidad de interactuar con otros átomos fisionables y mantener la reacción. Como regla general, a menor velocidad del neutrón, mayor probabilidad de fisionar con otros núcleos del combustible.
Refrigerante.- Agua, agua pesada, anhídrido carbónico, helio, sodio metálico: Conduce el calor generado hasta un intercambiador de calor, o bien directamente a la turbina generadora de electricidad o propulsión.
Reflector.- Agua, agua pesada, grafito, uranio: Reduce el escape de neutrones y aumenta la eficiencia del reactor.
Blindaje.- Hormigón, plomo, acero, agua: Evita la fuga de radiación gamma y neutrones rápidos.
Material de control.- Cadmio o Boro: Hace que la reacción en cadena se pare. Son muy buenos absorbentes de neutrones. Generalmente se usan en forma de barras (de acero borado por ejemplo) o bien disuelto en el refrigerante.
Elementos de Seguridad.- Todas las centrales nucleares de fisión, constan en la actualidad de múltiples sistemas, activos (responden a señales eléctricas), o pasivos (actúan de forma natural, por gravedad, por ejemplo). La contención de hormigón que rodea a los reactores es la principal de ellas. Evitan que se produzcan accidentes, o que, en caso de producirse, haya una liberación de radiactividad al exterior del reactor.

[editar] Tipos de reactores nucleares de fisión

Existen varios tipos básicos en la actualidad:

LWR - Light Water Reactors (Reactores de Agua Ligera): Utilizan como Refrigerante y Moderador el agua. Como Combustible uranio enriquecido. Los más utilizados son los BWR (Boiling Water Reactor ó Reactores de Agua en Ebullición) y los PWR (Pressure Water Reactor ó Reactores de Agua a Presión), estos últimos considerados en la actualidad como el estándar. (345 en funcionamiento en el 2001)

CANDU - Canada Deuterium Uranium (Canadá Deuterio Uranio): Utilizan como Moderador y Refrigerante Agua pesada (compuesta por dos átomos de deuterio y uno de oxígeno). Como Combustible utilizan uranio natural. (34 en funcionamiento en el 2001)

FBR - Fast Breeder Reactors (Reactores Rápidos Realimentados): Utilizan neutrones rápidos en lugar de térmicos para la consecución de la fisión. Como Combustible utiliza plutonio y como Refrigerante sodio líquido. Este reactor no necesita Moderador. (4 en funcionamiento en el 2001)

HTGR - High Temperature Gas-cooled Reactor (Reactor de Alta Temperatura Refrigerado por Gas): Usa una mezcla de torio y uranio como Combustible. Como Refrigerante utiliza helio y como Moderador grafito. (34 en funcionamiento en el 2001)

RBMK - Reactor Bolshoy Moshchnosty Kanalny (Reactor de Canales de Alta Potencia): Su principal función es la producción de plutonio, y como subproducto genera electricidad. Utiliza grafito como Moderador y agua como Refrigerante. Uranio enriquecido como Combustible. Puede recargarse en marcha. Tiene un coeficiente de reactividad positivo. El reactor de Chernóbil era de este tipo.(14 en funcionamiento en el 2001)

ADS - Accelerator Driven System (Sistema Asistido por Acelerador): Utiliza una masa subcrítica de torio, en la que se produce la fisión solo por la introducción, mediante aceleradores de partículas, de neutrones en el reactor. Se encuentran en fase de experimentación, y una de sus funciones fundamentales será la eliminación de los residuos nucleares producidos en otros reactores de fisión.

[editar] Reactor nuclear de fusión

Instalación destinada a la producción de energía mediante la fusión nuclear. A pesar que la investigación en este campo se ha prolongado durante 50 años, no se ha conseguido aún mantener una reacción de fusión controlada.

La mayor dificultad se halla en soportar la enorme presión y temperatura que requiere una fusión nuclear (que solo es posible encontrar de forma natural en el núcleo de una estrella). Además este proceso requiere una enorme inyección de energía inicial (aunque luego se podría automantener ya que la energía desprendida es mucho mayor)

Actualmente existen dos líneas de investigación, el confinamiento inercial y el confinamiento magnético.

El confinamiento inercial consiste en contener la fusión mediante el empuje de particulas o de rayos laser proyectados contra una párticula de combustible, que provocan su ignición instantánea.

Los dos proyectos más importantes a nivel mundial son el NIF (National Ignition Facility) en EE.UU. y el LMJ (Laser Mega Joule) en Francia.

El confinamiento magnético consiste en contener el material a fusionar en un campo magnético mientras se le hace alcanzar la temperatura y presión necesarias. El hidrógeno a estas temperaturas alcanza el estado de plasma.

Los primeros modelos magnéticos, americanos, conocidos como Stellarator generaban el campo directamente en un reactor toroidal, con el problema de que el plasma se filtraba entre las líneas del campo.

Los ingenieros rusos mejoraron este modelo dando paso al Tokamak en el que un arrollamiento de bobina primario inducía el campo sobre el plasma, aprovechando que es conductor, y utilizándolo de hecho como un arrollamiento secundario. Además la resistencia eléctrica del plasma lo calentaba.

Sin embargo el mayor reactor de este tipo, el JET (toro europeo conjunto) no ha logrado mantener una mezcla a la temperatura (1 millón de grados) y presión necesarias para que se mantuviera la reacción.

Se ha comprometido la creación de un reactor aun mayor, el ITER uniendo el esfuerzo internacional para lograr la fusión. Aun en el caso de lograrlo seguiría siendo un reactor experimental y habría que construir otro prototipo para probar la generación de energía, el llamado proyecto DEMO.

[editar] Posibles combustibles para reactores de fusión nuclear

La reacción óptima para producir energía por fusión es la del deuterio y tritio debido a su elevada sección eficaz. Es también, por ello, la más usada en las pruebas experimentales. La reacción es la siguiente:

$D+T\rightarrow{}^4He+n$

Obtener deuterio no es difícil ya que es un elemento estable y abundante que se formó en grandes cantidades en la sopa primordial de partículas (véase Big Bang). En el agua una parte por 5000 es deuterio. Esto significa que hay 30 gramos de material en cada metro cúbico de agua. En un reactor automantenido la reacción deuterio-tritio generaría energía y neutrones. Los neutrones son la parte negativa de la reacción y hay que controlarlos ya que las reacciones de captación de neutrones en las paredes del reactor o en cualquier átomo del reactivo pueden inducir radioactividad. De hecho, los neutrones, con tiempo suficiente pueden llegar a debilitar la estructura del propio contenedor con el consecuente riesgo de que se produzcan peligrosas fisuras. Para ello están los moderadores y blindajes de neutrones tales como el agua pesada, el berilio, el sodio o el carbono como moderadores muy usados en las centrales de fisión, o el boro y el cadmio, usados como productos que paran completamente los neutrones absorbiéndolos. Si se quiere fabricar un reactor realmente limpio habrá que buscar otras fórmulas. Se ha planteado una doble solución al problema de los neutrones y al de la abundancia del tritio. El tritio no se encuentra en la naturaleza ya que es radioactivo así que hay que fabricarlo. Para obtenerlo se puede recurrir a las centrales de fisión, donde se puede generar por la activación del hidrógeno contenido en el agua, o al bombardeo del litio, material abundante en la corteza terrestre, con neutrones.

${}^6Li+n\rightarrow{}^4He+T$ ${}^7Li+n\rightarrow{}^4He+T+n$

Hay dos isótopos estables del litio el litio-6 y el litio-7 siendo éste último mucho más abundante. Por desgracia, la reacción que absorbe neutrones es la que se da con el litio-6, el menos abundante. Todo esto tampoco evita que muchos neutrones acaben impactando con las paredes del propio reactor con la subsiguiente fabricación de átomos radioactivos. A pesar de ello una de las propuestas para el ITER es la de recubrir las paredes con litio-6 el cual pararía una buena parte de los neutrones para producir más tritio. Debido a todos estos problemas se están investigando otras reacciones de sección eficaz alta pero más limpias. Una de la más prometedoras es la del deuterio más helio-3.

$D+{}^3He\rightarrow{}^4He+p$

El problema en ésta reacción reside en la menor sección eficaz con respecto a la de deuterio-tritio y en la propia obtención del helio-3 que es el isótopo más raro de dicho elemento. Los protones no entrañan tanto peligro como los neutrones ya que estos no serán fácilmente captados por los átomos debido a la barrera coulombiana que deben atravesar cosa que con las partículas de carga neutra como los neutrones no ocurre. Además un protón puede ser manipulado mediante campos electromagnéticos. Una solución para obtener helio-3 artificialmente sería la de incorporar, en el propio reactor, la reacción deuterio-deuterio.

$D+D\rightarrow{}^3He+n$

El problema, como vemos, es que, de nuevo, obtenemos un neutrón residual. Cosa que nos devuelve de nuevo al problema de los neutrones. Quizá la clave fuera la obtención de helio-3 natural, pero éste es extremadamente raro en la Tierra. Hay que tener en cuenta que el poco helio-4 natural que se produce por radioactividad tiende a escapar de nuestra densa atmósfera. Ya no digamos pues el helio-3 primordial del cual apenas debe quedar nada en nuestro planeta. Lo curioso es que dicho isótopo es abundante en la Luna. Se encuentra esparcido por su superficie y proviene del viento solar que durante miles de millones de años ha bañado la desnuda superficie lunar con sus partículas ionizadas. Este helio lunar podría ser, en un futuro, la clave para los reactores de fusión.

Mientras tanto se está investigando en materiales que aunque se activen, solo den lugar a isótopos de vida media corta, con lo que dejando reposar un periodo corto a esos materiales, podrían considerarse como residuos convencionales (no radiactivos). El problema principal, en cualquier caso, seguiría estando en la dificultad de mantener en condiciones al armazón del núcleo sin que este se deteriorara y hubiese que cambiarlo cada poco tiempo.

[editar] Consideraciones ecológicas sobre los reactores nucleares

Una de las ventajas de los reactores nucleares actuales es que casi no emiten contaminantes al aire (aunque periódicamente purgan pequeñas cantidades de gases radiactivos), y los residuos producidos son muchísimo menores en volumen y más controlados que los residuos generados por las plantas alimentadas por combustibles fósiles.

Sin embargo, los reactores nucleares generan residuos en forma de productos radiactivos. Dichos productos deben ser tratados con gran cuidado debido a la prolongada vida media de alguno de los isótopos alojados en los residuos, como el Americio, el Neptunio o el Curio.

Estos productos contaminantes pueden reducirse considerablemente, pero algunas centrales también sirven para generar material adicional de fisión (plutonio) para la creación de armamento nuclear. Dicho interés en la creación de dichas sustancias impone un diseño específico del reactor en detrimento de la ecología del mismo.

El uranio enriquecido utilizado en las centrales nucleares no está lo suficientemente concentrado como para construir una bomba, se diseñan los reactores en ciclos de alto enriquecimiento o bien se usan diseños como reactores tipo RBMK usados para la generación de plutonio, material mucho más eficiente en las bombas atómicas.

Así, lo que podría ser una fuente más limpia de energía, algunos países lo usan como fabrica de residuos de alta actividad para la obtención de material de uso militar.

Algunos expertos mantienen que la energía nuclear podría ser una energía limpia y que los costes totales de construcción, explotación, seguridad, tratamiento de los residuos y desmantelamiento serían con mucho inferiores a los costes de cualquier planta de energía fósil, incluyendo los costes medioambientales.

Los detractores de la energía nuclear hacen hincapié en el peligro de los residuos. Una planta nuclear moderna diseñada para minimizar los productos de desecho no tendría desechos radiactivos con una duración superior a los 100 años, que podrían perfectamente almacenarse en tanques de agua o en seco hasta que su radiactividad decayera hasta niveles seguros.

Otros expertos apuntan a la generación de centrales menos productivas de fisión asistida, donde parte de los residuos más peligrosos serían destruidos mediante el bombardeo con partículas procedentes de un acelerador (protones seguramente) que producirían neutrones que a su vez provocarían la transmutación de esos isótopos más peligrosos. Sería una especie de central de neutralización de residuos radiactivos automantenida. Los conocimientos y tecnologías que permiten la transmutación de estos productos se encuentran en fase de desarrollo, por otra parte el rendimiento de estas centrales sería en principio menor, dado que parte de la energía generada debería ser usada en la transmutación de los residuos. Se estima comenzar la construcción del reactor de transmutación Myrrah en 2014.

La verdadera percepción de peligro en la población aparece con la idea de que un accidente o un ataque terrorista les exponga a la radiación. El peligro de un Chernobyl es muy pequeño debido al diseño de las centrales actuales, y los reactores en caso de accidente nunca llegarían a un punto crítico. Otros accidentes menores de rotura del aislamiento, aunque crearían alarma, no implicarían un escape significativo de radiación al medio ambiente.

En las centrales térmicas convencionales que utilizan combustibles fósiles (carbón, petróleo o gas), los problemas de emisión van más allá de la simple emisión de gases de efecto invernadero, ya que además se emiten gases que producen lluvia ácida (dioxido de azufre principalmente), carbonilla, metales pesados, residuos sólidos en forma de cenizas que no pueden reciclarse e incluso material radiactivo natural concentrado (NORM). Por el contrario, la problemática de los residuos de los reactores nucleares se limitan a un único problema de residuos sólidos del orden de un millón de veces más reducidos en volumen que los contaminantes de las centrales térmicas.