El Reactor Nuclear: Principios, Componentes y Tipos

El Reactor Nuclear: Fundamentos y Funcionamiento

El aprovechamiento con fines prácticos de la energía liberada en las reacciones de fisión nuclear se basa en varios hechos que conviene destacar:

• Estas reacciones tienen la posibilidad de verificarse en cadena. Si no se controla, la cantidad de energía liberada puede transcurrir con violencia explosiva.
• Los neutrones desprendidos (neutrones rápidos) poseen una energía elevada y, por sí solos, no son aptos para producir eficientemente nuevas fisiones. Para ello, es necesario frenarlos (convertirlos en neutrones térmicos), lo que se consigue haciéndolos chocar repetidas veces contra átomos de pequeño tamaño de determinadas sustancias, que reciben el nombre de moderadores.

Destino de los Neutrones Producidos

Los neutrones generados en la fisión pueden seguir varios caminos:

1. Pueden escaparse del material fisionable sin producir reacción alguna.
2. Pueden ser absorbidos por impurezas presentes en el material.
3. Pueden ser absorbidos por núcleos de U-238 sin producir fisión (captura neutrónica).
4. Pueden ser absorbidos por núcleos de U-235 y fisionarlos, dando origen a nuevos neutrones que continúan la reacción.

Condiciones para la Reacción en Cadena

• Para que se produzca y mantenga una reacción de fisión nuclear autosostenida, es necesaria una masa mínima de material fisionable. Esta masa mínima se conoce con el nombre de masa crítica. En el caso del U-235, oscila aproximadamente entre 1 y 2 kg, dependiendo de la geometría y composición.
• Para que transcurra la reacción en cadena, el número de neutrones producidos en un determinado intervalo de tiempo ha de ser, en promedio, mayor o igual que la suma de los neutrones absorbidos (sin fisión) y los perdidos (escapes) en ese mismo intervalo.

Las reacciones de fisión controladas se llevan a cabo en instalaciones termoeléctricas conocidas como centrales nucleares. El componente básico de estas es el reactor nuclear, complementado por un turbogenerador (donde la energía calorífica se transforma en energía eléctrica) y edificios anexos donde se almacena tanto el combustible nuevo como el ya utilizado (combustible gastado).

Características de un Reactor Nuclear

Un reactor nuclear típico consta de varios componentes esenciales:

• Núcleo: Contiene el material combustible (ej. Uranio-235 o Plutonio-239) y los elementos necesarios para producir y controlar la reacción de fisión: el material moderador y las barras de control. El combustible suele estar encapsulado en una capa protectora metálica, llamada vaina, que lo aísla del exterior y contiene los productos de fisión.
• Fuente de Neutrones: Para iniciar la fisión de forma controlada, se dispone de una fuente de neutrones, por lo general inmersa inicialmente en el moderador.
• Moderador: Sustancia (como agua ligera, agua pesada o grafito) que frena los neutrones rápidos para convertirlos en neutrones térmicos, más eficientes para causar fisión en el U-235. (Nota: Los reactores rápidos no precisan moderador).
• Barras de Control: Regulan la tasa de reacción (y por tanto, la potencia del reactor) absorbiendo neutrones. Son barras móviles hechas de materiales con alta capacidad de absorción de neutrones (como boro o cadmio). Se pueden introducir más o menos en el núcleo del reactor, modificando el número de fisiones que tienen lugar por unidad de tiempo. Controlan el llamado factor de multiplicación de neutrones.
• Refrigerante: Fluido (líquido o gas, como agua, sodio líquido o helio) que circula a través del núcleo para extraer el calor generado por la fisión y transportarlo fuera del reactor, generalmente para producir vapor y mover una turbina.
• Reflector: Material que rodea el núcleo (a menudo similar al moderador) para reflejar los neutrones que intentan escapar, devolviéndolos al núcleo y mejorando la eficiencia neutrónica.
• Blindaje: Estructura masiva (generalmente de hormigón de varios metros de espesor, a veces con capas de acero o plomo) que rodea todo el reactor para absorber las intensas radiaciones (neutrones y rayos gamma) producidas durante la fisión, protegiendo a los trabajadores y al medio ambiente.

Tipos de Reactores Nucleares

Existen diversos tipos de reactores nucleares, clasificados según su propósito:

• Reactores de Potencia: Son los diseñados específicamente para generar grandes cantidades de calor, que luego se convierte en energía eléctrica en las centrales nucleares comerciales. Son el tipo más común.
• Reactores de Investigación: Utilizados como fuentes intensas de neutrones y radiaciones. Se emplean para la investigación científica básica, pruebas de materiales, análisis por activación neutrónica y la producción de radioisótopos para aplicaciones médicas, industriales y de investigación.
• Reactores Reproductores (Breeders): Diseñados para generar más material fisionable del que consumen. Logran esto transformando material fértil (como el Uranio-238, que no es fácilmente fisionable por neutrones térmicos) en material fisionable (como el Plutonio-239) mediante la captura de neutrones.