Reactor nuclear

Un reactor nuclear ye un dispositivu onde se produz una reacción nuclear en cadena controlada. Puede utilizase pal llogru d'enerxía nes denominaes centrales nucleares, la producción de materiales fisionables, como'l plutoniu, pa ser usaos n'armamentu nuclear, la propulsión nuclear de buques o de satélites artificiales o la investigación. Una central nuclear puede tener dellos reactores. Anguaño solo producen enerxía de forma comercial los reactores nucleares de fisión, anque esisten reactores nucleares de fusión esperimentales.

Tamién podría dicise que ye una instalación física onde se produz, caltién y controla una reacción nuclear en cadena. Poro, nun reactor nuclear utilízase un combustible fayadizu que dexe asegurar la normal producción d'enerxía xenerada poles socesives fisiones. Dellos reactores pueden estenar el calor llográu de les fisiones, otros sicasí utilicen el calor pa producir enerxía llétrica.

La potencia d'un reactor de fisión nuclear puede variar dende unos pocos kW térmicos a unos 4500 MW térmicos (1500 MW "llétricos"). Tienen De ser instalaos en zones cercanes a l'agua, como cualquier central térmica, pa esfrecer el circuitu, y tienen de ser emplazados en zones sísmicamente estables pa evitar accidentes. Tienen grandes midíes de seguridá. Nun emiten gases qu'estropien l'atmósfera pero producen residuos radiactives que duren decenes de miles d'años, y que tienen de ser almacenaos pal so posterior usu en reactores avanzaos y asina amenorgar el so tiempu de vida a unos cuantos cientos d'años.

El primer prototipu de reactor nuclear foi construyíu por Enrico Fermi, sicasí nun foi'l primeru que funcionó na Tierra. El reactor nuclear de Oklo, Gabón presenten evidencies de que na Tierra producieron reactores nucleares naturales hai unos 2000 millones d'años.

 Aplicaciones 
 Generación nuclear:
 Producción de calor pa la xeneración d'enerxía llétrica
 Producción de calor pa usu domésticu ya industrial 
 Producción d'hidróxenu por aciu electrólisis d'alta temperatura 
 Desalación
 Propulsión nuclear:
 Marítima 
 Cohetes de propulsión térmica nuclear (propuesta).
 Cohetes de propulsión nuclear pulsiada (propuesta).
 Transmutación d'elementos:
 Producción de plutoniu, utilizáu pa la fabricación de combustible d'otros reactores o d'armamentu nuclear
 Creación de diversos isótopos radiactivos, como'l americio utilizáu nos detector de fumu, o'l cobaltu-60 y otros que s'utilicen nos tratamientos médicos
 Aplicaciones d'investigación, incluyendo:
 El so usu como fontes de neutrones y de positrones (p. ex. pal so usu d'analís por aciu activación neutrónica o pal datáu pol métodu de datación potasiu-argón).
 Desenvolvimientu de teunoloxía nuclear.

 Reactor nuclear de fisión 

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

 Combustible.-Isótopu fisible (divisible) o fértil (convertible en fisionable por activación neutrónica): Uraniu-235, Uraniu-238, plutoniu-239, Toriu-232, o amiestos d'estos (MOX, Amiestu d'óxidos d'uraniu y plutoniu). El combustible habitual nes centrales esfrecíes per agua llixero ye'l dióxidu d'uraniu arriquecíu, nel qu'alredor del 3 % de los nucleos d'uraniu son d'O-235 y el restu d'O-238. La proporción d'O-235 nel uraniu natural ye namái de 0,72 %, polo que ye necesariu sometelo a un procesu d'arriquecimientu nesti nucleido.
 Moderador (nuclear).- Agua, agua pesao, grafitu, sodiu metálicu: Cumplen cola función de frenar la velocidá de los neutrones producíos pola fisión, por que tengan la oportunidá d'interactuar con otros átomos fisionables y caltener la reacción. Como regla xeneral, a menor velocidá del neutrón, mayor probabilidá de fisionar con otros nucleos del combustible nos reactores qu'usen uraniu 235 como combustible.
 Refrigerante.- Agua, agua pesao, anhídridu carbónico, heliu, sodiu metálicu: Conduz el calor xeneráu hasta un intercambiador de calor, o bien direutamente a la turbina xeneradora d'enerxía llétrica o propulsión.
 Reflector de neutrones Reflector.- Agua, agua pesao, grafitu, uraniu: amenorga l'escape de neutrones y aumenta la eficiencia del reactor.
 Blindaxe.- Formigón, plomu, aceru, agua: Evita la fuga de radiación gamma y neutrones rápidos.
 Material de control.- Cadmiu o boru: fai que la reacción en cadena párese. Son bien bonos absorbentes de neutrones. Xeneralmente úsense en forma de barras o bien disueltu nel refrigerante.
 Elementos de Seguridá.- Toles centrales nucleares de fisión, consten en 2007 de múltiples sistemes, activos (respuenden a señales llétriques), o pasivos (actúen de forma natural, por gravedá, por casu). La contención de formigón qu'arrodia a los reactores ye la principal d'elles. Eviten que se produzan accidentes, o que, en casu de producise, haya una lliberación de radioactividá al esterior del reactor.

 Tipos de reactores nucleares de fisión 
Esisten dellos tipos básicos nel 2012:

LWR - Light Water Reactors (Reactores d'agua llixero): utilicen como refrigerante y moderador l'agua. Como combustible uraniu arriquecíu. Los más utilizaos son los PWR (Pressure Water Reactor o reactores d'agua a presión) y los BWR (Boiling Water Reactor o reactores d'agua en ebullición): 264 PWR y 94 BWR en funcionamientu nel 2007.

CANDU - Canada Deuterium Uranium (Canadá deuteriu uraniu): Utilicen como moderador y refrigerante agua pesao (compuesta por dos átomos de deuteriu y unu d'osíxenu). Como combustible utilicen uraniu natural: 43 en funcionamientu nel 2007.

FBR - Fast Breeder Reactors (reactores rápidos realimentados): utilicen neutrones rápidos en llugar de térmicos pa la consecución de la fisión. Como combustible utiliza plutoniu y como refrigerante sodiu líquidu. Esti reactor nun precisa moderador: 4 operativos en 2007. Solo unu n'operación.

AGR - Advanced Gas-cooled Reactor (reactor esfrecíu por gas avanzao): usa uraniu como combustible. Como refrigerante utiliza CO2 y como moderador grafitu: 18 en funcionamientu en 2007.

RBMK - Reactor Bolshoy Moshchnosty Kanalny (reactor de canales d'alta potencia): Utiliza grafitu como moderador y agua como refrigerante. Uraniu arriquecíu como combustible. Puede recargase en marcha. Tien un coeficiente de reactividá positivu. El reactor de Chernóbil yera d'esti tipu. Esistíen 12 en funcionamientu en 2007.

FBNR Reactor de Llechu Fixu, un reactor de llechu fixu ye un reactor modular de 4 xeneración, nel cual la cámara de combustible atópase separáu de la cámara de reacción

ADS - Accelerator Driven System (sistema asistíu por acelerador): utiliza una masa subcrítica de toriu, na que se produz la fisión solo pola introducción, por aciu aceleradores de partícules, de neutrones nel reactor. Atópase en fase d'esperimentación, y prevese qu'una de les sos funciones fundamentales sería la eliminación de los residuos nucleares producíos n'otros reactores de fisión.

 Ventayes de los reactores nucleares de fisión 
Una de les ventayes de los reactores nucleares actuales ye que casi nun emiten contaminantes al aire (anque dacuando surden pequeñes cantidaes de gases radiactivos), y los residuos producíes son bien de menores en volume y más controlaos que los residuos xeneraes poles plantes alimentaes por combustibles fósiles. Neses centrales térmiques convencionales qu'utilicen combustibles fósiles (carbón, petroleu o gas), emítense gases d'efeutu ivernaderu (CO2 principalmente), gases que producen agua acedo (SO2 principalmente), carbonilla, metales pesaos, miles de tonelaes añalmente de cenices, ya inclusive material radiactivo natural concentráu (NORM). Nuna central nuclear los residuos sólides xeneraos son del orde d'un millón de vegaes menores en volume que los contaminantes de les centrales térmiques.

El uraniu arriquecíu utilizáu nes centrales nucleares nun sirve pa construyir un arma nuclear nin pa usar uraniu procedente d'elles. Pa ello diseñen los reactores en ciclos d'altu arriquecimientu o bien s'usen diseños como reactores tipo RBMK usaos pa la xeneración de plutoniu.

Últimamente investíguense centrales de fisión asistida, onde parte de los residuos más peligroses seríen destruyíos por aciu el bombardéu con partícules procedentes d'un acelerador (protones de xuru) que por espalación produciríen neutrones que de la mesma provocaríen la transmutación d'esos isótopos más peligrosos. Esta sería una especie de central de neutralización de residuos radiactives automantenida. El rendimientu d'estes centrales sería en principiu menor, yá que parte de la enerxía xenerada usar pa la transmutación de los residuos. Envalórase que la construcción del primer reactor de transmutación (Myrrha) va empezar nel añu 2014.

 Desventaxes de los reactores nucleares de fisión 
El peligru pa la población provién de dellos factores: 1) accidente nuna central atómica, 2) ataque terrorista, 3) peligrosidá de los residuos y la so alto poder contaminante del mediu ambiente, 4) basureros nucleares, 5) posible esviación de los residuos pa la producción d'armes de destrucción masiva.

Los reactores nucleares xeneren residuos radiactives. Dalgunos d'ellos con un semiperiodu eleváu, como'l americiu, el neptuniu o'l curiu y de una alta toxicidá. Los detractores de la enerxía nuclear faen fincapié nel peligru d'eses residuos que duren cientos ya inclusive miles d'años.

Dellos reactores nucleares utilizar pa xenerar plutoniu 239 utilizáu nel armamentu nuclear. Los reactores civiles xeneren plutoniu pero'l plutoniu 239 (riquíu nes armes nucleares) apaez entemecíu con altes proporciones de plutoniu 240, 238, 240 y 242, facer invidables pa usu militar.

Los accidentes nucleares más graves fueron: Mayak (Rusia) en 1957, Windscale (Gran Bretaña) en 1957, Three Mile Island (Estaos Xuníos) en 1979, Chernóbil (Ucrania) en 1986, Tokaimura (Xapón) en 1999 y Fukushima (Xapón) 2011.

La peligrosidá de los residuos nucleares ye una tema altamente revesosa. Estos suelen acomuñar a la xeneración d'enerxía nuclear de fisión, sicasí esisten infinidá de fontes radiactives emplegaes en diversos usos que tamién son soterraes en campusantos nucleares. La mayoría de los países tienen empreses nacionales encargaes de la xestión d'estes residuos, de normal la tarifa llétrica inclúi un porcentaxe que se destina a esti fin. Na actualidá nun esisten almacenes definitivos destinaos al enterramientu del combustible gastáu, suélense caltener en piscines nos mesmos allugamientos de los reactores o n'almacenes centralizaos. Pa munchos esta ye la opción más razonable yá que nel combustible gastáu caltién el 95 % del uraniu, lo que va dexar nel futuru'l so reutilización, de fechu dellos países yá lu faen pero la téunica ye bien costosa.

 Reactor nuclear de fusión 

Instalación destinada a la producción d'enerxía por aciu la fusión nuclear. Tres más de 60 años d'investigación nesti campu, llogróse caltener una reacción controlada, magar entá nun ye energéticamente rentable.

La mayor dificultá topar en soportar la enorme presión y temperatura que rique una fusión nuclear (que namái ye posible atopar de forma natural nel nucleu d'una estrella). Amás esti procesu rique una enorme inyeición d'enerxía inicial (anque depués podríase automantener una y bones la enerxía desprendida ye enforma mayor)

Anguaño esisten dos llinies d'investigación, el confinamientu inercial y el confinamientu magnéticu.

El confinamientu inercial consiste en contener la fusión por aciu l'emburrie de partícules o de rayo láser proyeutaos contra una partícula de combustible, que provoquen el so ignición instantánea.

Los dos proyeutos más importantes a nivel mundial son el NIF (National Ignition Facility) n'Estaos Xuníos y el LMJ (Laser Mega Joule) en Francia.

El confinamientu magnéticu consiste en contener el material a fundir nun campu magnético mientres se-y fai algamar la temperatura y presión necesaries. L'hidróxenu a estes temperatures algama l'estáu de plasma.

Los primeros modelos magnéticos, americanos, conocíos como Stellarator xeneraben el campu direutamente nun reactor toroidal, col problema de que'l plasma penerar ente les llinies del campu.

Los inxenieros rusos ameyoraron esti modelu dando pasu al Tokamak nel qu'un arrollamiento de bobina primariu inducía'l campu sobre'l plasma, aprovechando que ye conductor, y utilizándolo de fechu como un arrollamiento secundariu. Amás la resistencia llétrica del plasma calecer.

El mayor reactor d'esti tipu, el JET (toru européu conxuntu) consiguió condiciones de fusión nuclear con un factor Q>0,7. Esto significa que'l ratio ente la enerxía xenerada por fusión y la riquida pa sostener la reacción ye de 0.7. Por que la reacción s'autu sostenga tienen d'algamar parámetros cimeros a Q>1 y entá ye más pa la so viabilidá económica. El primer oxetivu tien de ser algamáu col proyeutu ITER y el segundu con DEMO.

Comprometióse la creación d'un reactor entá mayor, el ITER xuniendo l'esfuerzu internacional pa llograr la fusión. Entá nel casu de llogralo siguiría siendo un reactor esperimental y habría que construyir otru prototipu pa probar la xeneración d'enerxía, el llamáu proyeutu DEMO.

 Posibles combustibles pa reactores de fusión nuclear 
La reacción óptima pa producir enerxía per fusión ye la del deuteriu y tritiu por cuenta de la so elevada seición eficaz. Ye tamién, por ello, la más usada nes pruebes esperimentales. La reacción ye la siguiente:

D + T → 4He + n

Llograr deuteriu nun ye difícil yá que ye un elementu estable y abondoso que se formó en grandes cantidaes na sopa primordial de partícules (vease Big Bang). Nel agua una parte por cada 6500 presenta deuteriu en llugar d'hidróxenu, polo que se considera qu'esiste una reserva perenal de deuteriu. Nun reactor automantenido la reacción deuteriu-tritiu xeneraría enerxía y neutrones. Los neutrones son la parte negativa de la reacción y hai que controlalos yá que les reacciones de captación de neutrones nes parés del reactor o en cualquier átomu del reactivu pueden inducir radioactividá. Ello ye que los neutrones, con tiempu abondu pueden llegar a debilitar la estructura del propiu contenedor col consecuente riesgu de que se produzan peligroses fisuras. Pa ello tán los moderadores y blindaxes de neutrones tales como l'agua pesao, el beriliu, el sodiu o'l carbonu como moderadores bien usaos nes centrales de fisión, o'l boru y el cadmiu, usaos como productos que paran dafechu los neutrones absorbiéndolos. Si quier fabricase un reactor realmente llimpiu va haber que buscar otres fórmules. Plantegóse una doble solución al problema de los neutrones y al de la bayura del tritiu. El tritiu nun s'atopa na naturaleza yá que ye inestable asina qu'hai que fabricalo. Pa llogralo puede recurrise a les centrales de fisión, onde puede xenerase pola activación del hidróxenu conteníu na agua, o al bombardéu del litiu, material abondoso na corteza terrestre, con neutrones.

6Li + n → 4He + T
7Li + n → 4He + T +n

Hai dos isótopos estables del litiu'l litiu-6 y el litiu-7 siendo esti postreru muncho más abondosu. Por desgracia, la reacción qu'absuerbe neutrones ye la que se da col litiu-6, el menos abondosu. Tou esto tampoco evita que munchos neutrones acaben impactando coles parés del propiu reactor cola subsiguiente fabricación d'átomos radiactivos. A pesar d'ello una de les propuestes pal ITER ye la d'anubrir les parés con litiu-6 el cual pararía una bona parte de los neutrones pa producir más tritiu. Por cuenta de toos estos problemes tán investigándose otres reacciones de seición eficaz alta pero más llimpies. Una de la más prometedores ye la del deuteriu más heliu-3.

D + ³He → 4He + p

 El problema nesta reacción mora na menor seición eficaz con al respective de la de deuteriu-tritiu y en la mesma llogru del heliu-3 que ye l'isótopu más raru de dichu elementu. Los protones non entrañan tanto peligru como los neutrones yá que estos nun van ser fácilmente captaos polos átomos por cuenta de la barrera coulombiana que tienen de travesar cosa que coles partícules de carga neutra como los neutrones nun asocede. Amás un protón puede ser manipoliáu por aciu campos electromagnéticos. Una solución pa llograr heliu-3 artificialmente sería la d'incorporar, nel mesmu reactor, la reacción deuteriu-deuteriu.

D + D → ³He + n

El problema ye que, de nuevu, llogramos un neutrón residual, lo que nos devuelve de nuevu al problema de los neutrones. Quiciabes la clave fuera'l llogru d'heliu-3 natural, pero ésti ye desaxeradamente raru na Tierra. Hai que tener en cuenta que'l pocu heliu-3 natural que se produz por radioactividá tiende a escapar de la nuesa trupa atmósfera. Lo interesao ye que dichu isótopu ye abondosu na Lluna. Atópase espardíu pola so superficie y provién del vientu solar que mientres miles de millones d'años bañó la desnuda superficie llunar coles sos partícules ionizadas. Esti heliu llunar podría ser, nun futuru, la clave pa los reactores de fusión.

Mentanto tase investigando en materiales qu'anque s'activen, solo dean llugar a isótopos de vida media curtia, colo que dexando reposar un periodu curtiu a esos materiales, podríen considerase como residuos convencionales (non radiactivos). El problema principal, sía que non, siguiría tando na dificultá de caltener en condiciones al armazón del nucleu ensin qu'esti deteriorárase y hubiera que camudalo cada pocu tiempu.

 Ver tamién 
 Reactores nucleares
 Procesos nucleares
 Enerxía nuclear
 Fisión nuclear
 Fusión nuclear
 Combustible nuclear
 Moderador nuclear
 Residuu nuclear
 Reprocesamiento nuclear
 Transmutación
 Propulsión nuclear
 Oklo
 Edificiu de contención
 EPR (European Pressurised Water Reactor)
 Radioactividá

 Referencies 

 Enllaces esternos 

  Un informe de Helmut Hirsch, Oda Becker, Mycle Schneider y Antony Froggatt pa Greenpeace.
 La producción d'electricidá d'orixe nuclear n'España. CSIC.

 ¿Qué ye un reactor nuclear? 
 Inxeniería nuclear.
 Reactor nuclear CAREM - moderna central llétrica de diseñu arxentín.

Reactores nucleares
Categoría:Enerxía nuclear
Categoría:Máquines térmiques