Table of Contents
Los reactores nucleares son maravillas de la ingeniería moderna, aprovechando la inmensa energía liberada por la fisión nuclear para generar electricidad. En el corazón de cada reactor se encuentra la necesidad de sostener y controlar una reacción en cadena, una secuencia autopropiada de eventos de fisión. Sin una gestión cuidadosa, tal reacción podría o bien deslumbrar o escalar peligrosamente. La clave de este equilibrio es el moderador de neutrones, un material que desacelera el nivel de la física de neutrones para explorar con precisión
La Física de la Moderación Neutron
Cuando un uranio-235 o un núcleo de energías altas se somete a una reacción de alta energía, normalmente libera dos o tres neutrones de alta energía, que viajan a velocidades de alrededor de 20.000 km/s (energías de aproximadamente 2 MeV). Estos neutrones rápidos son capaces de dividir otros núcleos fisibles, pero la probabilidad (examen) de fisión rápida
La moderación se produce mediante colisiones elásticas entre neutrones y los núcleos del material moderado.En cada colisión, el neutro transfiere una fracción de su energía cinética al núcleo objetivo.El liviano del núcleo objetivo (es decir, más cercano en masa al neutro), mayor es la pérdida de energía por colisión.
Materiales Moderadores Comunes
Sólo un puñado de materiales cumplen con los requisitos estrictos para un moderador de neutrones: masa atómica baja, sección de la cruz de absorción de neutrones baja, sección de la cruz de alta dispersión, estabilidad química y térmica, y asequibilidad. Los tres moderadores más utilizados se describen a continuación.
Agua de luz (H2O)
El agua ligera es el moderador más común, utilizado en reactores de agua presurizados (PWR) y reactores de agua hirviendo (BWRs), que juntos representan la mayoría de las centrales nucleares del mundo. Sus ventajas incluyen bajo costo, alta eficiencia de moderación y uso simultáneo como refrigerante. Sin embargo, el hidrógeno ordinario tiene una sección de absorción relativamente alta para neutrones térmicos (0.332 barnes), que requiere
Agua pesada (D2O)
El agua pesada (óxido de deuterio) reemplaza el hidrógeno ordinario con deuterio, un isótopo de hidrógeno con un neutron. El deuterio tiene una sección de absorción mucho menor (0.0005 establos) que el hidrógeno, permitiendo que el agua pesada sea un moderador altamente eficiente con una pérdida mínima de neutrones. Esto permite el uso de uranio natural (0,7% U-235) como combustible, eliminando la necesidad de enriquecimiento.
Grafito (Carbon)
El núcleo de la gravedad se utiliza desde los primeros reactores nucleares artificiales: el reactor de alta temperatura posémica de Enrico Fermi (1942) se basa en una pila de bloques de grafito como el moderador. El grafito tiene una masa atómica baja (12), una sección de baja absorción de la cruz (0,0035 barnes para el carbono natural), y una excelente estabilidad térmica.
Otros materiales de moderador
El biocombustible (FLT) ofrece una excelente relación de moderación, pero es costoso y tóxico, limitando su uso a ciertos reactores de investigación y sistemas nucleares espaciales. El óxido de becilio[FLT] se utiliza también en algunas aplicaciones de nicho.
Criterios de selección de moderadores
Elegir un moderador para un reactor implica equilibrar varios factores:
- Potencia de baja velocidad] – la pérdida promedio de energía logarítmica por longitud de ruta unitaria (• latitudes). Los valores superiores significan menos colisiones necesarias.
- ratio moderada] – el poder de desaceleración dividido por la sección de la cruz de absorción macroscópica (• Ås / egaa). Una alta proporción significa que más neutrones sobreviven a energías térmicas.
- Sección transversal de absorción de neutrones – materiales que absorben demasiados neutrones hacen que el reactor sea ineficiente o requiera combustible enriquecido.
- Compatibilidad de refrigeración – en muchos diseños, el moderador también sirve como el refrigerante (por ejemplo, agua ligera); en otros, son separados (por ejemplo, CANDU, reactores refrigerados por gas).
- Costo y disponibilidad] – el agua ligera es barata; el agua pesada y el berilio son caros; el grafito es moderado pero requiere grandes volúmenes.
- La estabilidad de radiación] – el moderador no debe degradarse rápidamente bajo la irradiación de neutrones. El grafito sufre cambios dimensionales (efecto de la luz); el agua puede someterse a radiolisis (se suministra en hidrógeno y oxígeno), que requieren sistemas de recombinación.
- Características seguras] – el moderador debe contribuir a una temperatura negativa o coeficiente de vacío, ayudando al reactor aminorar o cerrar si aumenta la potencia.
Estas consideraciones explican por qué el agua ligera domina los reactores comerciales a pesar de su mayor absorción: es barato, fácilmente disponible, y sirve de doble deber como refrigerante, que simplifica el sistema general. El agua pesada se utiliza donde no se desea el enriquecimiento del combustible. El grafito sigue siendo importante para los diseños de refrigeración por gas y alta temperatura.
Moderadores en Diseño Reactor
El papel del moderador varía significativamente entre los tipos de reactores. A continuación se presenta un resumen de cómo los moderadores se integran en las principales familias de reactores.
Reactores de agua presurizados (PWRs) y reactores de agua de la cubierta (BWRs)
El sistema de reflujo de vapor se mantiene bajo alta presión (aproximadamente 15.5 MPa) para evitar la caldera en el núcleo; el calor se transfiere a través de un generador de vapor. En las BWRs, el agua se puede hervir en el núcleo, produciendo vapor directamente para las turbinas.
CANDU Reactors
Los reactores CANDU utilizan agua pesada como moderador y refrigerante, pero en sistemas separados. El moderador está en un tanque grande (calandria) que rodea los canales de combustible y se mantiene a baja temperatura y presión. El agua pesada refrigerante fluye a través de los tubos de presión que contienen el combustible, operando a mayor temperatura y presión.
RBMK y reactores refrigerados por gas
Reductores de alta temperatura ] grafito como el moderador y el agua ligera como el refrigerante.Los bloques de grafito se organizan en una gran pila perforada por tubos de presión que contienen el combustible y el refrigerante.
Reactores de investigación y de uso especial
Los reactores TRIGA utilizan hidrauro de zirconio como moderador, íntimamente mezclado con el combustible de uranio en las barras de combustible. Esto da un coeficiente de temperatura negativa extremadamente fuerte: a medida que el combustible se calienta, los átomos de hidrógeno del moderador se mueven más rápido y son menos eficaces, bajando rápidamente la reactividad.
Seguridad y control mediante moderación
El moderador no es sólo un componente pasivo, sus propiedades físicas impactan directamente la seguridad del reactor. Tres conceptos importantes son el coeficiente de temperatura de la reactividad , el coeficiente void , y la interacción de la varilla de control].
En LWRs, el coeficiente de temperatura del moderador es negativo: a medida que aumenta la temperatura del agua, su densidad disminuye, reduciendo el número de átomos de hidrógeno por volumen y reduciendo así la moderación. Esto reduce el flujo de neutrones térmico y disminuye la tasa de fisión. Esta retroalimentación negativa es una característica de seguridad crucial que ayuda a prevenir las excursiones de energía desviadas.
Los reactores moderados por grafito pueden tener un coeficiente de vacío positivo si el refrigerante es agua (como en RBMK), porque el grafito sigue moderándose eficazmente incluso si el refrigerante de agua vaciado. Esto fue un gran defecto de diseño en el RBMK que contribuyó al accidente de Chernobyl. Los reactores refrigerados por gas moderados por grafito moderno evitan esto utilizando un refrigerante que no afecta significativamente la moderación; también incorporan fuerte expansión de combustible.
Las barras de control, que contienen normalmente materiales de absorción de neutrones como el borón o el cadmio, se insertan para absorber exceso de neutrones y regular la reacción de cadena. La eficiencia del moderador influye en cuántas barras de control son necesarias y dónde se colocan. En algunos diseños, el moderador puede ajustarse (por ejemplo, mediante la modificación del nivel de agua pesada en un reactor CANDU) para controlar la reactividad sin mover barras de control.
Conceptos avanzados y futuros del moderador
La investigación en reactores de próxima generación está explorando nuevas tecnologías de moderadores. Los reactores de sal fundida (MSRs) pueden usar una mezcla de fluoruro de litio y fluoruro de berilio (FLigraphBe) como portador de combustible y moderador (lithium-7 (elegido para minimizar la producción de tritio) y ausencia de berilio
Otra avenida es moderadores de hidroide como el hidrato de zirconio (ya utilizado en TRIGA) para pequeños reactores modulares (SMR) y microreactores. Estos proporcionan una alta densidad de hidrógeno por volumen, lo que conduce a núcleos muy compactos. La investigación sobre moderadores de hidroide incluye mejorar la resistencia a la radiación y prevenir la pérdida de hidrógeno a altas temperaturas.
Finalmente, el concepto de un moderador como elemento de control] está ganando interés: por fluidos de control de temperatura o por variar la densidad efectiva del moderador (por ejemplo, mediante la inserción de vacíos o control de un nivel de moderador líquido), los reactores pueden lograr un control de reactividad fino sin mover partes mecánicas. Esto podría simplificar el diseño y mejorar la fiabilidad.
Conclusión
Los moderadores neutron son fundamentales para la liberación controlada de la energía nuclear. Al reducir la energía cinética de los neutrones de fisión a los niveles térmicos, permiten reacciones de cadena eficientes y estables en reactores que utilizan espectros de neutrones térmicos. La elección del moderador: agua ligera, agua pesada, grafito o materiales avanzados como hidrogeneraciones de berilio determina aspectos clave del diseño de un reactor, requisitos de combustible, características de seguridad,
Para más lectura, vea el Wikipedia artículo sobre moderadores de neutrones], el U.S. NRC brillante entrada, y una discusión detallada de la física de moderador en ScienceDirect's engineering overview.