Reactor nuclear

Un reactor nuclear é unha cámara blindada contra a radiación, onde se produce unha reacción nuclear controlada para a obtención de enerxía, produción de materiais fisionábeis como o plutonio para armamentos nucleares, propulsión de submarinos e satélites artificiais ou para investigacións.
Unha central nuclear pode conter varios reactores. Actualmente apenas os reactores nucleares de fisión son empregados para a produción de enerxía comercial, porén os reactores nucleares de fusión están sendo empregados en fase experimental.
Dunha forma simple, as primeiras versións de reactor nuclear producían calor dividindo átomos ao contrario das estacións de enerxía convencionais, que producen calor queimando combustíbel. A calor producida serve para ferver auga, que fará funcionar unhas turbinas a vapor para xeraren electricidade.
Un reactor produce grandes cantidades de calor e intensas correntes de radiación neutrónica e gama. Ambas as dúas son mortais para todas as formas de vida mesmo en cantidades pequenas, causando doenzas, leucemia e, finalmente, a morte. O reactor debe estar rodeado dun mesto escudo biolóxico de cemento e aceiro, para evitar fugas prexudiciais de radiación. As materias radioactivas son manexadas por control remoto e almacenadas en colectores de chumbo, un excelente escudo contra a radiación. Reactor nuclear de fisión
Nun reactor nuclear de fisión utilízase uranio natural, na maior parte dos casos - unha mestura de U-238 e de U-235 - por veces enriquecido con extra U-235. O U-238 ten tendencia a absorber os neutróns de alta velocidade orixinados pola división dos átomos U-235, as non absorbe neutróns lentos tan rapidamente. Así, nun reactor é incluída unha substancia moderadora que, xuntamente co uranio, abranda os neutróns. O U-238, pola súa vez, xa non os absorbe tan facilmente e a escisión continua.
Un reactor nuclear de fisión presenta, esencialmente, as seguintes partes: Combustíbel: Isótopo fisionábel e/ou fértil (aquel que se pode converter en fisionábel por activación neutrónica): Uranio-235, Uranio-238, Plutonio-239, Torio-232, ou mesturas destes (o combustíbel típico actualmente é o MOX, mestura de óxidos de uranio e plutonio).
Moderador: Auga, auga pesada, helio, grafito, sodio metálico: Cumpren a función de reduciren a velocidade dos neutróns producidos na fisión, para que poidan atinxir outros átomos fisionábeis mantendo a reacción.
Refrixerante: Auga, auga pesada, anhídrido carbónico, helio, sodio metálico: Conducen a calor producida durante o proceso até a turbina xeradora de electricidade ou ao propulsor.
Reflector: Auga, auga pesada, grafito, uranio: Reduce o escape de neutróns aumentando a eficiencia do reactor.
Blindaxe: Cemento, chumbo, aceiro, auga: Evita o escape de radiación gama e neutróns rápidos.
Material de control: Cadmio ou Boro: Finalizan a reacción en cadea, pois son óptimos absorbentes de neutróns. Xeralmente son usados na forma de barras (de aceiro borado, por exemplo) ou ben disolvido no refrixerante.
Elementos de Seguridade: Todas as centrais nucleares de fisión presentan múltiplos sistemas de seguridade. Os activos que responden a sinais eléctricos e os pasivos que actúan de forma natural como a gravidade, por exemplo. A contención de formigón que rodea os reactores é o principal sistema de seguridade, evitando que ocorra un escape radioactivo ao exterior.
O núcleo do reactor é construído dentro dun forte recipiente de aceiro que contén varetas de combustíbel feitas de materiais escindíbeis (fisionábeis) metidos en tubos. Estas varetas producen calor en canto o combustíbel sofre a visión. Varetas de control, xeralmente de boro ou cadmio - para absorberen facilmente os neutróns -, son metidas e retiradas do núcleo (conforme a necesidade de estabilizar a reacción), variando a corrente de neutróns no núcleo, controlando o ritmo de escisión e, xa que logo, a calor producida. As varetas están arrodeadas por un moderador, que reduce a velocidade a que os neutróns son producidos polo combustíbel. Percorrendo o núcleo corre un refrixerante, líquido ou gasoso, que, ao quecer coa calor liberada, xera vapor de auga que se canaliza ás turbinas.
Tipos de reactores de fisión
Actualmente existen varios tipos de reactores nucleares de fisión:
LWR - Light Water Reactors:
Utilizan como refrixerante e moderador a auga e como combustíbel o uranio enriquecido. Os máis utilizados son os BWR (Boiling Water Reactor ou Reactor de Auga en Ebulición) e os PWR (Pressure Water Reactor ou Reactores de Auga a Presión), estes últimos considerados actualmente como patrón. En 2001 existían 345 en funcionamento.
CANDU - Canada Deuterio Uranio:
Utilizan como moderador auga pesada (composta por dous átomos de deuterio e un átomo de oxixeno) e como refrixerante auga común. Como combustíbel usan uranio común. Existían 34 en operación en 2001.
FBR - Faso Breeder Reactors:
Utilizan neutróns rápidos no lugar de térmicos para o proceso da fisión. Como combustíbel utilizan plutonio e como refrixerante sodio líquido. Este reactor non necesita de moderador. Apenas 4 en operación en 2001.
HTGR - High Temperature Gas-cooled Reactor:
Usa unha mestura de torio e uranio como combustíbel. Como refrixerante utiliza o helio e como moderador grafito. 34 en funcionamento en 2001.
RBMK - Reactor Bolshoy Moshchnosty Kanalny:
A súa principal función é a produción de plutonio, e como subproduto xera electricidade. Utiliza grafito como moderador, auga como refrixerante e uranio enriquecido como combustíbel. Pode recargarse durante o funcionamento. Presenta un coeficiente de reactividade positivo. 14 en funcionamento en 2001.
ADS - Accelerator Driven System:
Utiliza unha masa subcrítica de torio. A fisión é producida pola introdución no reactor de partículas neutróns a través dun acelerador de partículas. Aínda se atopa en fase de experimentación, e unha das súas funcións fundamentais será a eliminación de residuos nucleares producidos noutros reactores de fisión.
Produción de combustíbel
Algúns tipos de reactor poden efectivamente producir máis combustíbel do que consomen. Trátase do reactor rápido. Non ten moderador e o seu combustíbel está altamente enriquecido: uranio ou plutonio. O núcleo é pequeno e a reacción en cadea procésase rapidamente, producindo maiores cantidades de calor do que en estoutros reactores «termais». Prodúcense grandes cantidades de neutróns, absorbidos inmediatamente por un cobertor de uranio 238 colocado arredor do núcleo. Isto non causa escisión no uranio, mais convérteo en plutonio 239, que pode despois ser separado e utilizado como combustíbel no reactor rápido. Desta maneira, o reactor rápido produce combustíbel á medida que o consome. Convertendo uranio 238 non escindíbel (fisionábel) nun combustíbel útil, o reactor rápido podería prolongar as reservas de combustíbel nuclear do mundo en preto de 60 veces. Reactor nuclear de fusión
Instalación destinada para a produción de enerxía a través da fusión nuclear. A investigación neste campo existe leva máis de 50 anos e xa, desde hai varios anos, é posíbel producir unha reacción de fusión nuclear controlada nun vaso de contención. Non se conseguiu aínda, mentres, manter unha reacción de fusión controlada ata atinxir o punto de "breakeven" (ou sexa unha situación na cal a cantidade de enerxía fornecida para iniciar e manter a reacción sexa menor que a cantidade de enerxía liberada pola reacción así producida).
As reaccións de fusión nuclear xuntan dous núcleos atómicos para formaren un. Inicialmente, iso require unha cantidade moi elevada de enerxía para vencer a repulsión electromagnética inherente entre estes núcleos. A diferenza en masa entre os dous núcleos iniciais e aquel resultante da reacción (lixeiramente máis leve que a suma dos dous precursores) é convertida nunha enorme cantidade de enerxía conforme previsto por Einstein, na súa ecuación E mc2.
Xa que os núcleos de elementos máis leves se fusionan máis facilmente que aqueles de elementos máis pesados, o hidróxeno, o elemento máis leve, e tamén o máis abundante do universo, é o mellor combustíbel para fusión. De feito, unha mestura de dous dos isótopos de hidróxeno, o deuterio e o tricio (D-T), presenta a razón máis baixa entre a enerxía necesaria para provocar a reacción de fusión e a enerxía (potencialmente moito maior) liberada por esta reacción; como proba diso, xurdiron os estudos e adaptacións da primeira bomba de hidróxeno. Por esta razón, a maior parte dos esforzos actuais para desenvolver un reactor de fusión de "primeira xeración" concéntrase na utilización do D-T como combustíbel.
Débese resaltar, porén, que existen mesturas alternativas que, a pesar de exixiren un fornecemento de enerxía inicial maior, serían máis simples de produciren e/ou controlaren e hai ata combustíbeis candidatos que non emitirían neutróns ao sufriren a reacción de fusión, os chamados combustíbeis aneutrónicos.
Basicamente, entón, unha das maiores dificultades é a obtención dunha enorme presión e temperatura que o proceso require, as cales se atopan na natureza soamente no interior dunha estrela. Outro problema é que a utilización de moitos dos posíbeis combustíbeis (inclusive o D-T) resulta na emisión de neutróns polo plasma durante fusión, os cales bombardean os compoñentes internos do reactor, tornándoos radioactivos. Para se conseguir a fusión é necesario máis do que unha alta temperatura: ten de existir plasma suficiente para que os núcleos se encontren e se fundan, e a temperatura elevada ten de ser producida por tempo suficiente para que iso aconteza. Porén, a combinación certa de todos estes factores móstrase, ata agora, imposíbel de alcanzar.
Ao longo dos últimos anos, varios grupos de enxeñeiros e científicos téñense dedicado ao desenvolvemento de novas aliaxes metálicas, cuxas composicións químicas son especificadas con criterio para soamente incluír elementos que formarán isótopos de vida media curta, baixo este bombardeo nun reactor (materiais de baixa actividade). Desta forma preténdese tornar factíbel proxectar compoñentes con materias que permitirán a reciclaxe despois de soamente algunhas decenas de anos de almacenaxe seguro (ao contrario dos residuos radioactivos de reactores de fisión, por exemplo, cuxas vidas medias longas esixen sistemas complexos de protección para períodos moi longos).
Algúns investigadores xa chegaron a caracterizar varios dos aspectos máis críticos na aplicación práctica, en servizo real, de tales materias como, por exemplo, conformabilidade, soldabilidade e resistencia á fluencia conforme presentado no libro "Investigations of the Formability, Weldability and Creep Resistance of Some Potential Low-activation Austenitic Stainless Steels for Fusion Reactor Applications (ISBN 0-85311-148-0): A. H. Bott, G. X. Butterworth, F. B. Pickering".
Actualmente existen dúas liñas de investigación, o confinamento inercial e o confinamento magnético:
Confinamento inercial: Consiste en conter a fusión mediante o impulso de partículas ou de raios láseres proxectados contra as partículas do combustible, que provocan a súa ignición instantánea.
Confinamento magnético: Consiste en manter o material que irá fundir nun campo magnético en canto se tenta alcanzar a temperatura e presión necesaria. Unha forte corrente eléctrica pasa a través do hidróxeno para o aquecer e formar un plasma, en canto un campo magnético comprime o plasma e o impide de tocar nas paredes. Mesmo que toque no recipiente, non existe perigo, xa que só son aquecidas cantidades moi pequenas de hidróxeno; as paredes arrefecen simplemente o plasma máis do que quecen as paredes co plasma.
Os primeiros modelos magnéticos, americanos, coñecidos como Stellarator xeraban o campo directamente nun reactor toroidal, co problema da infiltración do plasma entre as liñas do campo.
Os enxeñeiros rusos melloraron este modelo para o Tokamak na cal un enrolamento de bobina primaria inducía un campo sobre o plasma, que é condutor, utilizándoo como un enrolamento secundario. Así e todo, debido a súa resistencia, o plasma sufría quecemento.
Namentres o maior (2004) reactor deste tipo, o JET aínda non atinxiu a temperatura (1 millón de graos) e a presión necesarias para a manutención da reacción, en 1997 este reactor experimental, de feito, atinxiu un pico de potencia de fusión de 16MWs, aínda un récord mundial (2004). A mesma experiencia acadou un valor de Q 0, 7. Q é a razón entre a potencia fornecida para iniciar e manter a fusión e a enerxía xerada por esta reacción, unha reacción auto-sostida require Q>1.
Un reactor, Tokamak, aínda maior, o ITER, está sendo proxectado, unindo esforzos internacionais para a obtención da fusión.