Las barras de control se utilizan en los reactores nucleares para controlar la velocidad de fisión del combustible nuclear ( uranio o plutonio) . Sus composiciones incluyen elementos químicos como el boro , el cadmio , la plata , el hafnio o el indio , que son capaces de absorber muchos neutrones sin desintegrarse. Estos elementos tienen diferentes secciones transversales de captura de neutrones para neutrones de varias energías . Los reactores de agua en ebullición (BWR), los reactores de agua a presión (PWR) y los reactores de agua pesada (HWR) funcionan con neutrones térmicos , mientras que los reactores reproductores funcionan con neutrones rápidos . Cada diseño de reactor puede utilizar diferentes materiales de barras de control en función del espectro de energía de sus neutrones. Las barras de control se han utilizado en motores de aviones nucleares como el Proyecto Plutón como método de control.
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Las barras de control se insertan en el núcleo de un reactor nuclear y se ajustan para controlar la velocidad de la reacción nuclear en cadena y, por lo tanto, la potencia térmica del reactor, la velocidad de producción de vapor y la potencia eléctrica de la central eléctrica.
El número de barras de control insertadas y la distancia a la que se insertan influyen fuertemente en la reactividad del reactor. Cuando la reactividad (como factor efectivo de multiplicación de neutrones ) es superior a 1, la velocidad de la reacción nuclear en cadena aumenta exponencialmente con el tiempo. Cuando la reactividad es inferior a 1, la velocidad de la reacción disminuye exponencialmente con el tiempo. Cuando todas las barras de control están completamente insertadas, mantienen la reactividad apenas por encima de 0, lo que ralentiza rápidamente un reactor en funcionamiento hasta detenerlo y lo mantiene parado (en parada ). Si todas las barras de control se retiran por completo, la reactividad es significativamente superior a 1 y el reactor se calienta cada vez más, hasta que algún otro factor (como la retroalimentación de reactividad de la temperatura ) ralentiza la velocidad de reacción. Mantener una salida de potencia constante requiere mantener el factor de multiplicación de neutrones promedio a largo plazo cerca de 1.
Un nuevo reactor se ensambla con sus barras de control completamente insertadas. Las barras de control se retiran parcialmente del núcleo para permitir que la reacción nuclear en cadena comience y aumente hasta el nivel de potencia deseado. El flujo de neutrones se puede medir y es aproximadamente proporcional a la velocidad de reacción y al nivel de potencia. Para aumentar la potencia de salida, algunas barras de control se retiran una pequeña distancia durante un tiempo. Para disminuir la potencia de salida, algunas barras de control se empujan hacia adentro una pequeña distancia durante un tiempo. Varios otros factores afectan la reactividad; para compensarlos, un sistema de control automático ajusta las barras de control en pequeñas cantidades hacia adentro o hacia afuera, según sea necesario en algunos reactores. Cada barra de control influye en alguna parte del reactor más que en otras; se pueden realizar ajustes calculados a la distribución de combustible para mantener velocidades de reacción y temperaturas similares en diferentes partes del núcleo.
El tiempo de apagado típico para reactores modernos, como el reactor presurizado europeo o el reactor CANDU avanzado, es de dos segundos para una reducción del 90 %, limitado por el calor de desintegración .Las barras de control se utilizan generalmente en conjuntos de barras de control (normalmente 20 barras para un conjunto de reactor de agua a presión comercial) y se insertan en tubos guía dentro de los elementos de combustible. Las barras de control suelen estar en posición vertical dentro del núcleo. En los reactores de agua a presión, se insertan desde arriba, con los mecanismos de accionamiento de las barras de control montados en la cabeza de la vasija de presión del reactor . En los reactores de agua a presión, debido a la necesidad de un secador de vapor por encima del núcleo, este diseño requiere la inserción de las barras de control desde abajo.
Los elementos químicos con secciones eficaces de captura de neutrones útiles y altas incluyen plata , indio y cadmio . Otros elementos candidatos incluyen boro , cobalto , hafnio , samario , europio , gadolinio , terbio , disprosio , holmio , erbio , tulio , iterbio y lutecio . [1] También se pueden usar aleaciones o compuestos, como acero con alto contenido de boro , [a] aleación de plata-indio-cadmio, carburo de boro , diboruro de circonio , diboruro de titanio , diboruro de hafnio , nitrato de gadolinio, [b] titanato de gadolinio, titanato de disprosio y compuesto de carburo de boro y hexaboruro de europio. [2]
La elección del material está influenciada por la energía de los neutrones en el reactor, su resistencia a la hinchazón inducida por neutrones y las propiedades mecánicas y de vida útil requeridas. Las barras pueden tener la forma de tubos llenos de pastillas o polvos que absorben neutrones. Los tubos pueden estar hechos de acero inoxidable u otros materiales de "ventana de neutrones" como circonio, cromo, carburo de silicio o circonio cúbico .11
B15
N ( nitruro de boro cúbico ). [3]
La combustión de isótopos " veneno combustible " también limita la vida útil de una barra de control. Se puede reducir utilizando un elemento como el hafnio, un "veneno no combustible" que captura múltiples neutrones antes de perder efectividad, o no utilizando absorbedores de neutrones para el ajuste. Por ejemplo, en reactores de lecho de bolas o en posibles nuevos reactores moderados y refrigerados con litio-7 que utilizan combustible y bolas absorbentes.
Algunos elementos de tierras raras son excelentes absorbentes de neutrones y son más comunes que la plata (reservas de alrededor de 500.000 t). Por ejemplo, el iterbio (reservas de alrededor de un M toneladas) y el itrio , 400 veces más comunes, con valores de captura medios, se pueden encontrar y usar juntos sin separación dentro de minerales como la xenotima (Yb) (Yb 0,40 Y 0,27 Lu 0,12 Er 0,12 Dy 0,05 Tm 0,04 Ho 0,01 )PO 4 , [4] o la keiviita (Yb) (Yb 1,43 Lu 0,23 Er 0,17 Tm 0,08 Y 0,05 Dy 0,03 Ho 0,02 ) 2 Si 2 O 7 , lo que reduce el costo. [5] El xenón es también un potente absorbente de neutrones en forma de gas y puede utilizarse para controlar y detener (de emergencia) reactores refrigerados por helio , pero no funciona en casos de pérdida de presión ni como gas de protección contra la combustión junto con el argón alrededor de la parte del recipiente, especialmente en el caso de reactores que capturan el núcleo o si están llenos de sodio o litio. El xenón producido por fisión puede utilizarse después de esperar a que precipite el cesio , cuando prácticamente no queda radiactividad. El cobalto-59 también se utiliza como absorbente para la obtención de cobalto-60 para su uso como fuente de rayos gamma . Las barras de control también pueden construirse como barras giratorias gruesas con un reflector de tungsteno y un lado absorbente girados para detenerse mediante un resorte en menos de un segundo.
Las aleaciones de plata-indio-cadmio, generalmente 80% Ag, 15% In y 5% Cd, son un material común para barras de control en reactores de agua presurizada . [6] Las regiones de absorción de energía algo diferentes de los materiales hacen que la aleación sea un excelente absorbente de neutrones . Tiene buena resistencia mecánica y se puede fabricar fácilmente. Debe estar revestido de acero inoxidable para evitar la corrosión en agua caliente. [7] Aunque el indio es menos raro que la plata, es más caro.
El boro es otro absorbente de neutrones común. Debido a las diferentes secciones transversales de 10 B y 11 B, se utilizan con frecuencia materiales que contienen boro enriquecido en 10 B por separación isotópica . El amplio espectro de absorción del boro también lo hace adecuado como escudo de neutrones. Las propiedades mecánicas del boro en su forma elemental no son adecuadas y, por lo tanto, se deben utilizar aleaciones o compuestos en su lugar. Las opciones comunes son el acero con alto contenido de boro y el carburo de boro . Este último se utiliza como material de barra de control tanto en PWR como en BWR. La separación de 10 B/ 11 B se realiza comercialmente con centrífugas de gas sobre BF 3 , pero también se puede hacer sobre BH 3 a partir de la producción de borano o directamente con una centrífuga de fusión optimizada energéticamente, utilizando el calor del boro recién separado para precalentar.
El hafnio tiene excelentes propiedades para reactores que utilizan agua tanto para moderación como para enfriamiento. Tiene buena resistencia mecánica, se puede fabricar fácilmente y es resistente a la corrosión en agua caliente. [8] El hafnio se puede alear con otros elementos, por ejemplo, con estaño y oxígeno para aumentar la resistencia a la tracción y a la fluencia, con hierro , cromo y niobio para la resistencia a la corrosión, y con molibdeno para la resistencia al desgaste, la dureza y la maquinabilidad. Estas aleaciones se denominan Hafaloy, Hafaloy-M, Hafaloy-N y Hafaloy-NM. [9] El alto costo y la baja disponibilidad del hafnio limitan su uso en reactores civiles, aunque se utiliza en algunos reactores de la Marina de los EE. UU . El carburo de hafnio también se puede utilizar como un material insoluble con un alto punto de fusión de 3890 °C y una densidad mayor que la del dióxido de uranio para hundirse, sin fundir, a través del corium .
El titanato de disprosio estaba en evaluación para barras de control de agua presurizada. El titanato de disprosio es un reemplazo prometedor para las aleaciones de Ag-In-Cd porque tiene un punto de fusión mucho más alto, no tiende a reaccionar con los materiales de revestimiento, es fácil de producir, no produce desechos radiactivos, no se hincha y no desgasifica . Fue desarrollado en Rusia y algunos lo recomiendan para los reactores VVER y RBMK . [10] Una desventaja es la menor absorción de titanio y óxido, que otros elementos absorbentes de neutrones no reaccionan con los materiales de revestimiento que ya tienen un punto de fusión alto y que solo usar el contenido no separado con disprosio dentro de minerales como Keiviit Yb dentro de tubos de cromo, SiC o c11B15N ofrece un precio y una absorción superiores sin hincharse ni desgasificarse.
El diboruro de hafnio es otro material de este tipo. Se puede utilizar solo o en una mezcla sinterizada de polvos de carburo de boro y hafnio. [11]
Se pueden utilizar muchos otros compuestos de elementos de tierras raras, como el samario con europio similar al boro y el boruro de samario , que ya se utiliza en la industria del color. [12] Compuestos menos absorbentes de boro similares al titanio, pero económicos, como el molibdeno como Mo 2 B 5 . Dado que todos se hinchan con boro, en la práctica otros compuestos son mejores, como los carburos, o compuestos con dos o más elementos absorbentes de neutrones juntos. Es importante que el tungsteno , y probablemente también otros elementos como el tántalo , [13] tengan las mismas cualidades de captura alta que el hafnio , [14] pero con el efecto opuesto. Esto no se puede explicar solo por la reflexión de neutrones. Una explicación obvia es que los rayos gamma de resonancia aumentan la fisión y la tasa de reproducción frente a causar una mayor captura de uranio, y otros en condiciones metaestables como para el isótopo 235m U , que tiene una vida media de aproximadamente 26 minutos.
Otros medios para controlar la reactividad incluyen (para PWR) un absorbedor de neutrones soluble ( ácido bórico ) añadido al refrigerante del reactor, lo que permite la extracción completa de las barras de control durante la operación de potencia estacionaria, asegurando una distribución uniforme de la potencia y el flujo en todo el núcleo. Este calce químico , junto con el uso de venenos neutrónicos quemables dentro de los pellets de combustible, se utiliza para ayudar a la regulación de la reactividad a largo plazo del núcleo, [15] mientras que las barras de control se utilizan para cambios rápidos de potencia del reactor (por ejemplo, apagado y arranque). Los operadores de BWR utilizan el flujo de refrigerante a través del núcleo para controlar la reactividad variando la velocidad de las bombas de recirculación del reactor (un aumento en el flujo de refrigerante a través del núcleo mejora la eliminación de burbujas de vapor, aumentando así la densidad del refrigerante/ moderador , aumentando la potencia).
En la mayoría de los diseños de reactores, como medida de seguridad , las barras de control se unen a la maquinaria de elevación mediante electroimanes , en lugar de mediante un enlace mecánico directo. Esto significa que, en caso de corte de energía, o si se activa manualmente debido a un fallo de la maquinaria de elevación, las barras de control caen automáticamente, por gravedad, hasta el fondo de la pila para detener la reacción. Una excepción notable a este modo de operación a prueba de fallos es el BWR, que requiere inserción hidráulica en caso de apagado de emergencia, utilizando agua de un tanque especial a alta presión. Apagar rápidamente un reactor de esta manera se llama parada de emergencia .
A menudo se ha culpado a la mala gestión o al fallo de las barras de control de los accidentes nucleares , incluida la explosión del SL-1 y el desastre de Chernóbil . Los absorbedores de neutrones homogéneos se han utilizado a menudo para gestionar accidentes de criticidad que implican soluciones acuosas de metales fisionables . En varios de estos accidentes, se ha añadido al sistema bórax ( borato de sodio ) o un compuesto de cadmio. El cadmio se puede añadir como metal a soluciones de ácido nítrico de material fisionable; la corrosión del cadmio en el ácido generará entonces nitrato de cadmio in situ .
En los reactores refrigerados por dióxido de carbono, como el AGR , si las barras de control sólidas no logran detener la reacción nuclear, se puede inyectar gas nitrógeno en el ciclo de refrigeración primario. Esto se debe a que el nitrógeno tiene una sección transversal de absorción de neutrones mayor que el carbono o el oxígeno ; por lo tanto, el núcleo se vuelve menos reactivo.
A medida que aumenta la energía de los neutrones, la sección eficaz de los neutrones de la mayoría de los isótopos disminuye. El isótopo de boro 10 B es responsable de la mayor parte de la absorción de neutrones. Los materiales que contienen boro también se pueden utilizar como protección contra neutrones, para reducir la activación del material cercano al núcleo de un reactor.
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