Reactores Nucleares TECNOL.

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Tecnología

Llámase r. n. a una instalación en la que puede iniciarse, mantenerse y controlarse una reacción de fisión (v.) en cadena. Desde el descubrimiento de la fisión de los núcleos de uranio por neutrones (Hahn y Strassmann, 1939), se reconoció la potencial importancia de esta reacción para la producción de energía. En efecto, en cada fisión la masa de los productos resultantes es inferior a la del núcleo inicial más la partícula incidente. Este defecto de masa se traduce, según la conocida ecuación de Einstein, en gran cantidad de energía, unos 200 MeV por fisión. Además, en cada fisión se liberan, como promedio, 2,5 neutrones (en general depende de la energía de excitación del núcleo que se fisiona) que, proyectando el sistema adecuadamente, pueden inducir, a su vez, fisiones en núcleos adyacentes.

1. Historia. Los primeros esfuerzos de investigación de r. n. se dirigieron a lograr explosivos nucleares durante la II Guerra mundial. El primer reactor, construido por Fermi (v.) en Chicago, en 1942, demostró la posibilidad de controlar la fisión en cadena y confirmó los cálculos efectuados. La tecnología de los reactores se desarrolló después velozmente en dos direcciones principales, los reactores de producción de sustancias lisionables, para construir artefactos bélicos, y los reactores de propulsión naval para submarinos. Después de la guerra comenzaron los esfuerzos para aplicar la experiencia obtenida a objetivos pacíficos, especialmente a la producción de energía eléctrica. Los tipos de reactor citados anteriormente dieron lugar, respectivamente, a los reactores de gas-graiito, con uranio natural, y a los llamados de agua ligera, alimentados con uranio enriquecido.

En 1956 entró en servicio la primera central nuclear y, en los años sucesivos, se construyeron centrales cada vez mayores. A partir de 1966 la energía producida por centrales nucleares comenzó a ser competitiva en zonas progresivamente mayores. En la actualidad, las centrales nucleares forman parte importante de los planes energéticos de casi todos los países.

2. Tipos de reactores. Los r. n. pueden clasificarse de varias maneras. Una clasificación simple es la siguiente: a) por su objetivo: de desarrollo (experimentales, de demostración, prototipo), de potencia (nucleoeléctricos, de propulsión, de producción, de calor), de enseñanza, de uso múltiple, de irradiación (quimionucleares, de ensayo de materiales, de producción de isótopos, de irradiación de alimentos), de producción de sustancias fisionables; b) por su proyecto nuclear: por el espectro neutrónico (térmicos, rápidos, intermedios, cte.), por la razón de conversión (convertidores, reproductores), por la configuración del núcleo (homogéneos, heterogéneos), por la clase de combustible (de uranio natural, de uranio enriquecido, cte.); cl por su proyecto termo-mecánico: por el refrigerante o moderador (de agua ligera, de agua pesada, de agua en ebullición, de alta temperatura, cte.), por la disposición del combustible (de combustible sólido, de lecho de bolas, cte.), por su ciclo de combustible (ciclo directo, ciclo indirecto, cte.).

3. Ciclos del combustible. Los combustibles fisionables son muy pocos. En realidad, el único combustible natural fisionable por neutrones términos, es decir, por neutrones de energía poco elevada, es el U235, un isótopo del uranio que aparece en la proporción de 0,711% del uranio natural. Otro nucleido fisionable, que se obtiene artificialmente como consecuencia del funcionamiento de los reactores, es el Puz39. Existen también otros isótopos superiores fisionables del plutonio, que se forman en cantidades menores. Los materiales de interés nuclear no son fisionables más que en pequeña parte, pero pueden dar lugar a materiales fisionables cuando se les somete a la acción de los neutrones. Por ello se llaman materiales fértiles. Los más importantes, muy repartidos en la Naturaleza, son el U238 y el Th232, componentes mayoritarios en el uranio (v.) y el torio naturales. Si estos materiales están presentes en un ambiente donde existen neutrones sufren determinadas transformaciones que se esquematizan en las fig. 1 y 2. Los números que aparecen junto a las flechas están relacionados con la probabilidad de que sucedan tales transformaciones. Para las absorciones y las fisiones se trata de las secciones eficaces microscópicas, medidas en barnios. Para las desintegraciones beta se incluyen, en cambio, los periodos de sem¡des integración.

En el ciclo del uranio, las especies fisionables son el PU239 y el Pu2a’. En el ciclo del torio, son el U233 y el U235. El primero puede comenzarse con uranio natural o enriquecido en su isótopo U235, pasándose paulatinamente a funcionar con plutonio. El segundo, como el torio natural no contiene ninguna especie fisionable, debe "cebarse" con alguna especie fisionable externa, generalmente U235.

4. Aprovechamiento energético. Convertidores y reproductores. El material fisionable que se forma a expensas del material fértil se consume parcialmente in situ, pero una cantidad queda disponible para utilizarla posteriormente en el mismo o en otro reactor. La cantidad de material fisionable que se forma por cada unidad de masa de material fisionable consumido se llama razón deconversión y mide la capacidad del reactor para utilizar el material fértil, transformándolo en energía. Los reactores que tienen una razón de conversión elevada, pero inferior a la unidad, se llaman convertidores. Los que tienen razón de conversión superior a la unidad se llaman reproductores, y en ellos se produce más material fisionable del que se consume; cuando esto ocurre, la razón de conversión se llama razón de reproducción.

Los reactores convertidores, entre los cuales están todos los actuales, aprovechan el contenido energético del uranio en muy pequeña proporción, inferior al 1%. Los reactores reproductores, cuando se consigan comercializar, aprovecharán el uranio y el torio de forma integral, es decir, en la práctica, hasta un 60 ó 70%, habida cuenta de las pérdidas que se producen en los procesos químicos. La razón de conversión depende de varios factores, los más importantes de los cuales son el material fisionable utilizado y el espectro de energías de los neutrones. Cuando el material fisionable utilizado es el Pu239, es decir, cuando se usa el ciclo del uranio, sólo se puede reproducir cuando los neutrones son rápidos. Con el ciclo del torio se puede reproducir además con neutrones lentos o térmicos. El reactor reproductor rápido, actualmente en periodo de desarrollo, constituye la esperanza máxima de solución del problema del abastecimiento energético a largo plazo.

5. Elementos de un reactor nuclear. Todo r. n. consta de un núcleo que contiene un combustible nuclear, los medios estructurales para contenerlo, un moderador (si el reactor es térmico) para reducir la energía de los neutrones, un blindaje para proteger a las personas y equipos circundantes contra las radiaciones, y los instrumentos necesarios para controlar la reacción. Si el reactor es de potencia, contiene además un refrigerante para extraer el calor producido por las fisiones nucleares y entregarlo al sistema de producción de electricidad.

Combustibles. El combustible nuclear se dispone en forma de pastillas de pequeño diámetro de óxido sinterizado apiladas y envainadas en tubos herméticos de un metal (acero inoxidable o aleación de circonio, según el tipo). Las vainas sirven para impedir el contacto del combustible con el medio circundante y para contener los productos de fisión radiactivos que se producen en el combustible. Los-límites de funcionamiento de los combustibles vienen impuestos por las deformaciones que sufre al progresar la irradiación y las temperaturas máximas alcanzadas por la vaina y por el propio combustible. La combustión, dentro de esos límites, prosigue hasta que se agota la vida reactiva del combustible, es decir, hasta que es necesario cambiarlo, total o parcialmente, por otro nuevo. En la actualidad, el combustible más usado es el uranio enriquecido en su isótopo U235 hasta un 3 ó 4%. El enriquecimiento se hace en costosas plantas de difusión gaseosa cuyo material de alimentación es hexafluoruro de uranio natural, en forma gaseosa.

Moderadores. En los reactores térmicos, cuyo espectro neutrónico corresponde a energías poco elevadas, ha de utilizarse un material que modere la energía de los neutrones de fisión hasta valores en equilibrio térmico con el medio.

Estos materiales han de estar compuestos por átomos de número atómico bajo (hidrógeno, berilio, carbono, cte.). Los usados hasta ahora son el agua natural, el agua pesada (en la cual el hidrógeno está enriquecido en su isótopo de masa atómica 2, llamado deuterio) y el grafito. Un buen moderador debe, además, absorber pocos neutrones, sin lo cual exigiría un mayor enriquecimiento del combustible. El agua natural, aunque exige que el uranio sea enriquecido, es un eficaz moderador y se emplea en muchos de los actuales reactores comerciales, llamados por ello de agua ligera. El agua pesada, al no ser absorbente el deuterio, puede emplearse con uranio natural. El grafito es poco absorbente pero, por su superior masa atómica, no es tan eficaz y requiere núcleos de gran tamaño. El moderador rodea al combustible de formas diversas, según el proyecto del reactor.

Refrigerantes. El calor de la fisión nuclear se transmite, a través de la vaina, a un medio capaz de extraerlo. Los refrigerantes deben tener una elevada capacidad calorífica, ser capaces de alcanzar temperaturas altas sin necesidad de presiones muy elevadas, no ser corrosivos y no absorber muchos neutrones. Todas estas condiciones, a menudo incompatibles, conducen a la elección de fluidos diversos, como el agua, líquidos orgánicos, metales líquidos y gases (anhídrido carbónico, helio, etc.). En la actualidad, se utilizan en los reactores comerciales el agua, a presión o a ebullición, y el helio. En los reproductores rápidos, que requieren una más enérgica extracción del calor, se utilizará sodio líquido. El refrigerante se hace circular, mediante bombas, hasta un cambiador de calor donde puede transformar su calor en energía útil.

Control e instrumentos. Para controlar la reacción se utilizan materiales absorbentes que puedan agregarse o extraerse a voluntad del núcleo del reactor. Suele tratarse de boro, tántalo, gadolinio, disprosio, etc., en elementos sólidos o, en ocasiones, en disolución. Todo reactorestá dotado de sistemas, muy elaborados, para medir sus parámetros de funcionamiento y permitir al operador actuar sobre el mismo. El elemento sensor de las radiaciones es el detector de neutrones, generalmente cámaras de ionización o de fisión. Los circuitos electrónicos de control se disponen de forma muy redundante, para aumentar la seguridad de funcionamiento hasta límites desconocidos en otras industrias.

Blindaje. Alrededor de los núcleos, y con objeto de proteger a las personas y equipos circundantes, se dispone un blindaje contra las radiaciones. Los blindajes deben contener elementos ligeros (como hidrógeno) para moderar los neutrones de alta energía que salen del núcleo, materiales absorbentes de neutrones para detener estos neutrones, y materiales pesados (como plomo o bario) para detener la radiación gamma de alta energía, y se emplea generalmente hormigón, a veces con la adición de barita.

Estructuras. Todo el conjunto de combustible, moderador, refrigerante y elementos de control está dispuesto, según diversas modalidades, dentro de un recipiente, llamado vasija del reactor, proyectado para resistir las presiones, temperaturas y niveles de irradiación. En los reactores actuales de agua ligera, se utilizan grandes vasijas de acero de paredes gruesas, y en los refrigerados por gas recipientes de hormigón pretensado que, a menudo, albergan también los cambiadores de calor y bombas (reactores integrados). El conjunto de la vasija del reactor y los circuitos de refrigeración suele encerrarse en un recinto hermético llamado recipiente de contención, capaz, de contener, sin riesgo para el personal circundante, los productos de fisión que pudieran escapar del reactor como consecuencia de un accidente.

6. La industria nuclear. La dificultad psicológica de lanzar una industria basada en una técnica que se había conocido inicialmente por sus usos bélicos ha dado como resultado una industria en la que la preocupación por las consecuencias ambientales y por el control de la calidad no reconoce comparación con ninguna otra. Los componentes nucleares obedecen a normas muy estrictas en su proyecto, fabricación e inspección, y ésta continúa después de la puesta en marcha para asegurar en todo momento la integridad de los sistemas. Esto ha exigido nuevas instalaciones y procedimientos por parte de los fabricantes.

La industria del combustible nuclear, por su parte, se ha desarrollado a partir de las industrias minera, química y mecánica de precisión. El ciclo de los combustibles (extracción del mineral, concentración, purificación, enriquecimiento, fabricación de los elementos de combustible, y reelaboración de los mismos una vez irradiados) ocupa a un sector industrial de gran calidad. Las empresas eléctricas, utilizadoras principales de los r, n., han formado sus equipos de operación y de gestión, incorporando una considerable capacidad de cálculo, muy superior a la necesaria en las centrales térmicas. Las empresas de ingeniería han tenido que perfeccionar sus técnicas de proyecto, control de construcción y gestión y comprobación en la calidad. Puede decirse que la industria nuclear ha llegado a su madurez, aunque aún quedan problemas tecnológicos pendientes, como el de la disposición final de los desechos radiactivos, que requieren almacenamiento controlado permanente durante miles de años.

7. Centrales nucleares. La casi totalidad del esfuerzo dedicado al desarrollo de los r. n. se ha dirigido a construir centrales nucleares para la producción de energía eléctrica. Incluso antes de la crisis y de la elevación de los precios del petróleo al final de 1973, las centrales nucleares formaban ya parte de los programas eléctricos de la mayor parte de los países desarrollados.

Las centrales nucleares constan, en esencia, de un r. n. con sus sistemas auxiliares y medios de generación de vapor. Todo este conjunto, albergado en un edificio de contención, suele denominarse caldera nuclear y contratarse junto con la fabricación del combustible del primer núcleo, con un solo suministrador. El turboalternador asociado y su sistema de agua condensado suele ser objeto de otro contrato. El comprador se reserva por lo general el papel de contratante del resto del equipo y el de administrar y coordinar la construcción, además de gestionar las etapas posteriores del ciclo del combustible. En las fig. 3, 4 y 5 se esquematizan tres tipos de centrales nucleares.

La economía de las centrales nucleares reside en su reducido coste del combustible, que permite inversiones en equipo superiores a las de las centrales térmicas de combustible fósil. Cuanto mejor sea la razón de conversión de un reactor, menos vulnerable resulta ante las elevaciones de los precios del uranio y de los servicios del ciclo. La tabla adjunta ilustra, a título de ejemplo, los posibles costes, en 1973, de la energía generada por una central nuclear, en comparación con una central de combustible fósil. Las condiciones son las españolas en cuanto a costes totales del dinero (18% anual) y a costes del combustible fósil (unos 34 cts/kWh, para el carbón). No se dan cifras correspondientes al petróleo, por la inseguridad de sus precios. Los datos correspondientes a los reactores rápidos son estimados en el cuadro adjunto. Central Central Central Centralfósil nuclear nuclear nuclear actual actual actual futura (carbón)(agua(agita(r. rápido)ligera) pesada)

Potencia (MWe) .5009506001.000

Utilización (h/año). 5.0005.0005.0005.000

Cargas de capital(cts/kWh) . ..36455550

Coste del combustible (cts/kWh) ..341475

Coste de mantenimiento (cts/kWh).3454

Coste de generación(cts/kWh) ... ...73636759 cts=céntimos.

A finales de 1973 había en el mundo varios cientos de centrales nucleares en explotación, construcción o proyecto. Una gran mayoría es del tipo de agua ligera y uranio enriquecido. En España existen tres centrales en explotación y siete en construcción, como se detalla en la tabla de pág. siguiente. Los planes para el futuro son muy ambiciosos e incluyen la construcción de centrales nucleares hasta un total de 23.500 MWe para 1985.

F. PASCUAL MARTNEZ.

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