Table of Contents
El papel del grafito en la moderación de Neutron: una perspectiva histórica y moderna
El grafito ha sido un material fundamental en la tecnología nuclear desde los primeros experimentos con fisión controlada. Su capacidad para frenar, o neutrones moderados rápidos, mientras absorbiendo muy pocos de ellos lo hizo la primera opción para los físicos de carrera para construir una reacción de cadena autosuficiente. Hoy, el grafito sigue apareciendo en diseños avanzados de reactores, desde reactores de alta temperatura refrigerados por gas hasta conceptos de ingeniería de acabado de piedra.
¿Qué es la moderación de Neutron?
La fisión nuclear en combustibles como uranio-235 libera neutrones a altas velocidades, aproximadamente 20.000 kilómetros por segundo, equivalente a energías cinéticas en la gama mega-electronvolt. Estos neutrones rápidos no son muy eficaces para causar más fisión en la mayoría de los combustibles nucleares. La probabilidad de fisión (la sección de fisión) es mucho mayor para energías lentas, o
Un moderador ideal tiene una masa atómica baja (por lo que cada colisión transfiere más energía), una sección transversal de alta dispersión (así que las colisiones son frecuentes), y una sección transversal de baja absorción (por lo que los neutrones no son capturados inútilmente). También debe ser estable bajo radiación y a altas temperaturas. El hidrógeno de grafito encaja con estos criterios notablemente bien: sus átomos de carbono son lo suficientemente ligeros para frenar los neutrones de manera eficiente (aunque no es muy eficiente).
Desarrollo histórico del Grafito como moderador
El amanecer de la era atómica: Chicago Pile-1
En 1942, bajo la dirección de Enrico Fermi y Leo Szilard, el equipo de la Universidad de Chicago construyó el primer reactor nuclear artificial del mundo, Chicago Pile-1 (CP-1).Eligieron el grafito como el moderador porque era el único material disponible en cantidad y pureza suficiente.El montón consistía en una rejilla de bombas de uranio natural incrustados en un gran cubo de bloques de peso total de LT42 .
El rendimiento de Graphite en CP-1 fue tan satisfactorio que se convirtió en el moderador de elección para la próxima generación de reactores de producción. El sitio Hanford en Washington utilizó reactores de refrigeración de grafito uniforme para producir plutonio para el proyecto Manhattan. Cada reactor Hanford contenía cientos de toneladas de alineación de grafito ultra puro , bloques de flujo cuidadosos
Reactores de RBMK soviéticos
El reactor de potencia moderado de grafito más conocido es el RBMK soviético (Reaktor Bolshoy Moshchnosti Kanalny, o “High-Power Channel-Type Reactor”). Estos reactores utilizaron bloques de grafito como el moderador y agua ligera como el refrigerante, una combinación que los hizo únicos.
El accidente de Chernobyl llevó a una reevaluación exhaustiva de reactores moderados por grafito en todo el mundo. Sin embargo, es importante distinguir entre las debilidades específicas del diseño de la RBMK y las propiedades inherentes de grafito como moderador. Otros diseños moderados por grafito, como los Reactores Construidos por Gas avanzados del Reino Unido (AGRs), han operado con seguridad durante décadas.
Magnox y avanzados reactores refrigerados por gas
El diseño de la radiografía se adoptó para la primera generación de centrales nucleares del país, los reactores Magnox. Estos reactores usados de uranio natural, revestimiento de aleación de magnesio y gas de dióxido de carbono como refrigerante. El moderador de grafito fue esencial para lograr una masa crítica con uranio natural, que requiere un moderador muy eficiente debido al bajo enriquecimiento (0.7% U-235).
Reactores modernos de grafito moderado
Reactores de alta temperatura refrigerados por gas (HTGRs)
Hoy, la aplicación moderna más significativa de grafito como moderador está en reactores refrigerados por gas de alta temperatura (HTGRs). Estos reactores operan a temperaturas de hasta 950°C, mucho más alto que los reactores convencionales de agua ligera (aproximadamente 300°C). El grafito es el único moderador práctico que puede soportar tales temperaturas sin derretir o descomponer.
En reactores de pedregilos, miles de esferas de grafito tamaño de tenis contienen partículas de combustible incrustadas. El grafito actúa como moderador y matriz estructural, desacelerando los neutrones y proporcionando alta conductividad térmica. La alta temperatura permite una alta eficiencia térmica (hasta 48%) y permite procesar aplicaciones de calor como la producción de hidrógeno sintético, gasificación de carbón
Reactores modulares avanzados (AMRs) y grafito
Muchos pequeños reactores modulares (SMR) y diseños avanzados de reactores incorporan grafito. Algunos reactores de sal fundida (MSRs) usan grafito como moderador porque es químicamente compatible con sales de fluoruro fundido. El grafito sirve para frenar los neutrones y también proporciona canales para que la sal de combustible fluya. Estos diseños dependen de la alta resistencia al choque térmico y baja porosidad del grafito moderno.
El grafito también aparece en las estructuras centrales de algunos reactores rápidos refrigerados por sodio, aunque en esos casos no actúa como moderador (los reactores rápidos evitan intencionalmente la moderación). En lugar de ello, se utiliza como reflector para reducir la fuga de neutrones y como componente de escudo.
Aplicaciones de reactor de fusión
Aunque no es directamente un moderador de fisión, el grafito también se utiliza en la investigación de fusión como material de cara al plasma, en particular en el Tírus mixto europeo (JET) y el reactor experimental termonuclear internacional (ITER), debido a su bajo número atómico y alta conductividad térmica. Sin embargo, las preocupaciones acerca de la retención de tritios en el grafito han llevado a su sustitución con berilio y tungsteno en muchos experimentos de fusión.
Fabricación y Propiedades del Grafito de Grado Nuclear
No todo grafito es adecuado para los reactores nucleares. El grafito de grado núcleo debe cumplir con las especificaciones estrictas: alta pureza (hierro y otras impurezas de absorción de neutrones deben estar por debajo de 1 parte por millón), alta densidad (1.7–1.9 g/cm3), propiedades mecánicas isotropicas, y porosidad controlada cuidadosamente.
El producto final tiene una estructura cristalina de átomos de carbono dispuestos en capas hexagonales. Bajo la irradiación de neutrones, el grafito sufre cambios: inicialmente, la celosía se hincha ligeramente, luego se contrae y finalmente se hincha de nuevo en fluencias muy altas.Los cambios dimensionales deben ser predicho a asegurar que el núcleo del reactor permanece intacto en su vida de diseño.
Comparación con otros moderadores
El grafito es uno de los varios moderadores utilizados en los reactores nucleares. En el cuadro que figura a continuación se resumen las diferencias clave:
| Moderator | Slowing Power | Absorption Cross-section | Max Operating Temp (°C) | Typical Reactors |
|---|---|---|---|---|
| Graphite (carbon) | 0.06 cm⁻¹ | 0.0035 barns | ~1000 (can go higher with advanced forms) | Magnox, AGR, RBMK, HTGR, MSR |
| Light water (H₂O) | 0.14 cm⁻¹ | 0.66 barns | ~300 | PWR, BWR |
| Heavy water (D₂O) | 0.11 cm⁻¹ | 0.0005 barns | ~300 | CANDU, PHWR |
| Beryllium (metal) | 0.12 cm⁻¹ | 0.009 barns | ~900 | Test/research reactors |
El grafito tiene el rango de temperatura más alto posible de cualquier moderador sólido, por lo que es esencial para reactores de alta temperatura. Su potencia de ralentización es menor que el del agua o el agua pesada, lo que significa que se necesita más grafito para lograr la misma moderación, pero su baja sección transversal de absorción permite una mejor economía de neutrones, especialmente cuando se utiliza uranio natural o ligeramente enriquecido.
Ventajas y desafíos de la moderación de grafito
Ventajas
- Alta estabilidad térmica: El grafito conserva su integridad mecánica a temperaturas superiores a 1000°C, permitiendo un funcionamiento de alta eficiencia y procesar aplicaciones de calor.
- ]Apropiación de neutrones: La pequeña sección transversal de captura significa que hay más neutrones disponibles para la fisión, lo que permite el uso de combustibles de enriquecimiento más bajos o uranio natural.
- Excelente conductividad térmica: Ayuda a disipar el calor del combustible, especialmente en los diseños refrigerados por gas donde la transferencia de calor se basa en la convección y la conducción.
- Compatibilidad química: El grafito es inerte para muchos refrigerantes, incluyendo CO2, helio y sales fundidas (en condiciones adecuadas).
- Buena relación de moderación de neutrones: La relación de la disminución de la potencia a la sección transversal de absorción es favorable, especialmente a altas temperaturas.
Problemas y consideraciones de seguridad
- ] Energía de la luz: El grafito irradiado puede acumular energía almacenada, que si se libera incontrolablemente puede causar excursiones de temperatura. Los procedimientos de aneación adecuados son esenciales.
- Oxidación: El grafito reacciona con oxígeno a altas temperaturas. En un accidente de ingreso aéreo, el núcleo de grafito podría quemar. Los reactores están diseñados con atmósferas de gas inerte o sistemas de protección.
- Daños por radiación: El bombardeo de neutrones provoca cambios dimensionales, grietas y cambios en la conductividad térmica. La extensión de la vida de los AGRs existentes requiere monitoreo y modelado continuos.
- Impurities:] El rastro como el borón, el litio y el cadmio puede absorber neutrones, reduciendo la reactividad. La fabricación debe mantener una pureza muy alta.
- ] Gestión de residuos: Después de la descomposición del reactor, deben eliminarse grandes volúmenes de grafito irradiado (a menudo millones de toneladas). El grafito es radiactivo debido a productos de activación (carbon-14, cloro-36, etc.). Las opciones de eliminación incluyen repositorios geológicos profundos o reducción de incineración/volumen.
Futuro de Grafito en la Tecnología Nuclear
Los avances en la fabricación de grafito están abriendo nuevas posibilidades. Gráfico Isotropic] grados, que tienen propiedades uniformes en todas las direcciones, permiten diseños de núcleo más precisos. Los materiales compuestos de grafito con revestimientos cerámicos están siendo investigados para reducir el riesgo de oxidación.El desarrollo de ]
Varios conceptos del reactor de generación IV dependen de la grafita. Reactor de temperatura muy alta (VHTR)], que tiene como objetivo las temperaturas de salida superiores a 1000°C, utiliza el grafito como moderador y material estructural.
La investigación en grafino de grado nuclear] y nanotubes de carbono] para aplicaciones de reactores está en su infancia pero tiene potencial para componentes con fuerza excepcional y propiedades térmicas. Sin embargo, el grafito sigue siendo el material de trabajo para moderación de neutrones en reactores de fisión de alta temperatura.
Conclusión
Desde la pila de grafito improvisado en un tribunal de squash de Chicago hasta las piedras y bloques de HTGR modernos, el grafito ha demostrado ser indispensable para la moderación de neutrones. Su combinación única de baja absorción de neutrones, capacidad de alta temperatura y estabilidad estructural lo convierte en una piedra angular de la tecnología nuclear.
Recursos externos para la lectura ulterior: