El calor de desintegración es el calor liberado como resultado de la desintegración radiactiva . Este calor se produce como efecto de la radiación sobre los materiales: la energía de la radiación alfa , beta o gamma se convierte en movimiento térmico de los átomos.
El calor de desintegración se produce de forma natural a partir de la desintegración de radioisótopos de larga duración que están presentes desde la formación de la Tierra.
En la ingeniería de reactores nucleares, el calor de desintegración continúa generándose después de que el reactor se ha apagado (ver SCRAM y reacciones nucleares en cadena ) y se ha suspendido la generación de energía. La desintegración de los radioisótopos de vida corta, como el yodo-131 creado en la fisión, continúa a alta potencia durante un tiempo después del apagado . [1] La principal fuente de producción de calor en un reactor recién apagado se debe a la desintegración beta de nuevos elementos radiactivos producidos recientemente a partir de fragmentos de fisión en el proceso de fisión.
Cuantitativamente, en el momento de la parada del reactor, el calor de desintegración de estas fuentes radiactivas sigue siendo el 6,5% de la potencia del núcleo anterior si el reactor ha tenido un historial de potencia largo y constante . Aproximadamente 1 hora después de la parada, el calor de desintegración será de alrededor del 1,5% de la potencia del núcleo anterior. Después de un día, el calor de desintegración cae al 0,4%, y después de una semana, será solo del 0,2%. [2] Debido a que los radioisótopos de todas las duraciones de vida media están presentes en los residuos nucleares , se sigue produciendo suficiente calor de desintegración en las barras de combustible gastado como para requerir que pasen un mínimo de un año, y más típicamente de 10 a 20 años, en una piscina de agua de combustible gastado antes de ser procesadas más. Sin embargo, el calor producido durante este tiempo sigue siendo solo una pequeña fracción (menos del 10%) del calor producido en la primera semana después de la parada. [1]
Si no hay un sistema de refrigeración que funcione para eliminar el calor de desintegración de un reactor averiado y recientemente apagado, el calor de desintegración puede hacer que el núcleo del reactor alcance temperaturas peligrosas en cuestión de horas o días, según el tipo de núcleo. Estas temperaturas extremas pueden provocar daños menores en el combustible (por ejemplo, unas pocas fallas de partículas de combustible (0,1 a 0,5 %) en un diseño moderado por grafito y refrigerado por gas [3] ) o incluso daños estructurales importantes en el núcleo ( fusión ) en un reactor de agua ligera [4] o un reactor rápido de metal líquido. Las especies químicas liberadas del material del núcleo dañado pueden provocar más reacciones explosivas (vapor o hidrógeno) que pueden dañar aún más el reactor. [5]
El calor de desintegración natural es un aporte significativo al balance térmico interno de la Tierra . Los isótopos radiactivos de uranio , torio y potasio son los principales contribuyentes a este calor de desintegración, y esta desintegración radiactiva es la principal fuente de calor de la que se deriva la energía geotérmica . [6]
El calor de desintegración tiene una importancia significativa en los fenómenos astrofísicos. Por ejemplo, se cree que las curvas de luz de las supernovas de tipo Ia se alimentan del calor proporcionado por los productos radiactivos de la desintegración del níquel y el cobalto en hierro ( curva de luz de tipo Ia ). [ cita requerida ]
En una reacción de fisión nuclear típica , se liberan instantáneamente 187 MeV de energía en forma de energía cinética de los productos de fisión, energía cinética de los neutrones de fisión, rayos gamma instantáneos o rayos gamma de la captura de neutrones. [7] Se liberan 23 MeV adicionales de energía en algún momento después de la fisión a partir de la desintegración beta de los productos de fisión . Aproximadamente 10 MeV de la energía liberada de la desintegración beta de los productos de fisión está en forma de neutrinos y, dado que los neutrinos interactúan muy débilmente, estos 10 MeV de energía no se depositarán en el núcleo del reactor. Esto da como resultado que 13 MeV (6,5% de la energía de fisión total) se depositen en el núcleo del reactor a partir de la desintegración beta retardada de los productos de fisión, en algún momento después de que haya ocurrido cualquier reacción de fisión dada. En un estado estable, este calor proveniente de la desintegración beta del producto de fisión retardada contribuye con el 6,5 % de la producción de calor normal del reactor.
Cuando un reactor nuclear se ha apagado y no se está produciendo fisión nuclear a gran escala, la principal fuente de producción de calor se deberá a la desintegración beta retardada de estos productos de fisión (que se originaron como fragmentos de fisión). Por esta razón, en el momento de la parada del reactor, el calor de desintegración será de alrededor del 6,5% de la potencia del núcleo anterior si el reactor ha tenido un historial de potencia largo y constante . Aproximadamente 1 hora después de la parada, el calor de desintegración será de alrededor del 1,5% de la potencia del núcleo anterior. Después de un día, el calor de desintegración cae al 0,4%, y después de una semana será solo del 0,2%. La tasa de producción de calor de desintegración continuará disminuyendo lentamente con el tiempo; la curva de desintegración depende de las proporciones de los diversos productos de fisión en el núcleo y de sus respectivas vidas medias . [8]
Una aproximación para la curva de calor de desintegración válida desde 10 segundos hasta 100 días después del apagado es
donde es el tiempo transcurrido desde el arranque del reactor, es la potencia en el momento , es la potencia del reactor antes del apagado, y es el tiempo de apagado del reactor medido desde el momento del arranque (en segundos), por lo que es el tiempo transcurrido desde el apagado. [9]
Para un enfoque con una base física más directa, algunos modelos utilizan el concepto fundamental de desintegración radiactiva . El combustible nuclear usado contiene una gran cantidad de isótopos diferentes que contribuyen al calor de desintegración, que están todos sujetos a la ley de desintegración radiactiva, por lo que algunos modelos consideran que el calor de desintegración es una suma de funciones exponenciales con diferentes constantes de desintegración y contribución inicial a la tasa de calor. [10] Un modelo más preciso consideraría los efectos de los precursores, ya que muchos isótopos siguen varios pasos en su cadena de desintegración radiactiva , y la desintegración de los productos hijos tendrá un efecto mayor durante más tiempo después del apagado.
La eliminación del calor de desintegración es un problema importante de seguridad del reactor, especialmente poco después de una parada normal o después de un accidente por pérdida de refrigerante . Si no se elimina el calor de desintegración, la temperatura del núcleo del reactor puede aumentar hasta niveles peligrosos y ha causado accidentes nucleares , incluidos los accidentes nucleares de Three Mile Island y Fukushima I. La eliminación del calor se logra normalmente a través de varios sistemas redundantes y diversos, de los que se elimina el calor a través de intercambiadores de calor. El agua pasa a través del lado secundario del intercambiador de calor a través del sistema de agua de servicio esencial [11] que disipa el calor en el "sumidero de calor final", a menudo un mar, un río o un gran lago. En lugares sin un cuerpo de agua adecuado, el calor se disipa en el aire recirculando el agua a través de una torre de refrigeración . La falla de las bombas de circulación ESWS fue uno de los factores que pusieron en peligro la seguridad durante la inundación de la central nuclear de Blayais en 1999 .
Después de un año, el combustible nuclear gastado típico genera alrededor de 10 kW de calor de desintegración por tonelada , disminuyendo a alrededor de 1 kW/t después de diez años. [12] Por lo tanto, se requiere un enfriamiento activo o pasivo efectivo para el combustible nuclear gastado durante varios años.
