Las barras de control se utilizan en los reactores nucleares para controlar la tasa de fisión del combustible nuclear: uranio o plutonio . Entre sus composiciones se 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 diversas 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 según el 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 en cadena nuclear y, por lo tanto, la producción de energía térmica del reactor, la velocidad de producción de vapor y la producción de energía eléctrica del reactor. estación.
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 de multiplicación de neutrones efectivo ) 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 rápidamente desacelera un reactor en funcionamiento hasta detenerlo y lo mantiene detenido (en apagado ). Si se retiran por completo todas las barras de control, la reactividad es significativamente superior a 1 y el reactor rápidamente se calienta cada vez más, hasta que algún otro factor (como la retroalimentación de la reactividad de la temperatura ) reduce la velocidad de reacción. Mantener una producción de potencia constante requiere mantener el factor de multiplicación de neutrones promedio a largo plazo cerca de 1.
Se ensambla un nuevo reactor con sus barras de control completamente insertadas. Las barras de control se retiran parcialmente del núcleo para permitir que la reacción nuclear en cadena se inicie 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 a 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 una parte del reactor más que en otras; Se pueden realizar ajustes calculados en la distribución del combustible para mantener velocidades de reacción y temperaturas similares en diferentes partes del núcleo.
El tiempo de parada 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 normalmente en conjuntos de barras de control (normalmente 20 barras para un conjunto PWR comercial) y se insertan en tubos guía dentro de los elementos combustibles. Las barras de control suelen estar situadas verticalmente dentro del núcleo. En los PWR se insertan desde arriba, con los mecanismos de accionamiento de la barra de control montados en la cabeza de la vasija de presión del reactor . En los BWR, debido a la necesidad de un secador de vapor encima del núcleo, este diseño requiere la inserción de las barras de control desde abajo.
Los elementos químicos con secciones transversales 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 utilizar aleaciones o compuestos, como acero con alto contenido de boro , [a] aleación de plata, indio y cadmio, carburo de boro , diboruro de circonio , diboruro de titanio , diboruro de hafnio , nitrato de gadolinio, [b] titanato de gadolinio, disprosio. titanato y compuesto de carburo de boro y hexaboruro de europio. [2]
La elección del material está influenciada por la energía de neutrones en el reactor, su resistencia al hinchamiento inducido por neutrones y las propiedades mecánicas y de vida útil requeridas. Las barras pueden tener la forma de tubos llenos de gránulos o polvo absorbentes de neutrones. Los tubos pueden estar hechos de acero inoxidable u otros materiales de "ventana de neutrones" como circonio, cromo, carburo de silicio o cúbicos.11
B15
N ( nitruro de boro cúbico ). [3]
La quema de isótopos de " veneno quemable " también limita la vida útil de una barra de control. Se pueden reducir utilizando un elemento como el hafnio, un "veneno no combustible" que captura múltiples neutrones antes de perder eficacia, o no utilizando absorbentes de neutrones para recortar. Por ejemplo, en reactores de lecho de guijarros o en posibles reactores de nuevo tipo, moderados y refrigerados por litio-7 , que utilizan combustible y guijarros absorbentes.
Algunos elementos de tierras raras son excelentes absorbentes de neutrones y son más comunes que la plata (reservas de unas 500.000 toneladas). Por ejemplo, el iterbio (reservas de aproximadamente un millón de toneladas) y el itrio , 400 veces más común, con valores de captura medios, se pueden encontrar y utilizar 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 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 , abaratando el coste. [5] El xenón también es un potente absorbente de neutrones como gas y puede utilizarse para controlar y parar (de emergencia) reactores refrigerados por helio , pero no funciona en casos de pérdida de presión ni como gas protector de combustión junto con el argón . la parte del recipiente, especialmente en el caso de reactores de captura de núcleo o si están llenos de sodio o litio. El xenón producido por fisión se puede utilizar después de esperar a que precipite el cesio , cuando prácticamente no queda radioactividad. El cobalto-59 también se utiliza como absorbente para obtener cobalto-60 para su uso como fuente de rayos gamma . Las barras de control también se pueden construir como barras giratorias gruesas con un reflector de tungsteno y un lado del amortiguador girado para detenerse mediante un resorte en menos de un segundo.
Las aleaciones de plata, indio y cadmio, generalmente 80% Ag, 15% In y 5% Cd, son un material de varilla de control común para reactores de agua a presión . [6] Las regiones de absorción de energía algo diferentes de los materiales hacen de la aleación 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 mediante 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 tanto, es necesario utilizar aleaciones o compuestos en su lugar. Las opciones más comunes son el acero con alto contenido de boro y el carburo de boro . Este último se utiliza como material de varilla de control tanto en PWR como en BWR. La separación 10 B/ 11 B se realiza comercialmente con centrífugas de gas sobre BF 3 , pero también se puede realizar sobre BH 3 procedente de la producción de borano o directamente con una centrífuga de fusión de energía optimizada, utilizando el calor del boro recién separado para el precalentamiento.
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 resistir la corrosión, y con molibdeno para aumentar 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 material insoluble con un alto punto de fusión de 3890 °C y una densidad superior a la del dióxido de uranio para hundirse, sin fundir, a través del corio .
Se estaba evaluando el titanato de disprosio para barras de control de agua a presión. El titanato de disprosio es un sustituto prometedor de las aleaciones 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 residuos radiactivos, no se hincha y no emite gases . Fue desarrollado en Rusia y algunos lo recomiendan para 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 simplemente se utiliza el contenido no separado con disprosio dentro de minerales como Keiviit Yb dentro de cromo, SiC o c11B15N. Los tubos ofrecen un precio y una absorción superiores sin hincharse ni desgasificarse.
El diboruro de hafnio es otro de esos materiales. Puede usarse solo o en una mezcla sinterizada de polvos de hafnio y carburo de boro. [11]
Se pueden utilizar muchos otros compuestos 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 de boro menos absorbentes similares al titanio, pero económicos, como el molibdeno como Mo 2 B 5 . Como todos se hinchan con boro, en la práctica son mejores otros compuestos, 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 tantalio , [13] tengan las mismas altas cualidades de captura que el hafnio , [14] pero con el efecto contrario. Esto no se puede explicar únicamente mediante la reflexión de neutrones. Una explicación obvia es que los rayos gamma de resonancia aumentan la fisión y la proporción de reproducción en lugar de causar una mayor captura de uranio, y otros en condiciones metaestables , como el isótopo 235 m U , que tiene una vida media de aproximadamente 26 minutos.
Otros medios para controlar la reactividad incluyen (para PWR) un absorbente de neutrones solubles ( ácido bórico ) agregado al refrigerante del reactor, lo que permite la extracción completa de las barras de control durante la operación de energía estacionaria, asegurando una distribución uniforme de la energía y el flujo en todo el núcleo. Esta cuña química , junto con el uso de venenos de neutrones combustibles dentro de las pastillas 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 están unidas a la maquinaria de elevación mediante electroimanes , en lugar de un enlace mecánico directo. Esto significa que, en caso de un corte de energía, o si se activa manualmente debido a una falla de la maquinaria de elevación, las barras de control caen automáticamente, por gravedad, hasta el fondo del pilote para detener la reacción. Una excepción notable a este modo de funcionamiento a prueba de fallos es el BWR, que requiere una inserción hidráulica en caso de una parada de emergencia, utilizando agua de un tanque especial a alta presión. Apagar rápidamente un reactor de esta manera se llama parada .
A menudo se ha culpado a la mala gestión o a fallos de las barras de control de los accidentes nucleares , incluida la explosión del SL-1 y el desastre de Chernobyl .Los absorbentes de neutrones homogéneos se han utilizado a menudo para gestionar accidentes de criticidad en los que intervienen soluciones acuosas de metales fisibles . En varios de estos accidentes, se añadió al sistema bórax ( borato de sodio ) o un compuesto de cadmio. El cadmio se puede añadir como metal a soluciones de material fisible en ácido nítrico ; la corrosión del cadmio en el ácido generará nitrato de cadmio in situ .
En reactores refrigerados por dióxido de carbono , como el AGR , si las barras de control sólidas no logran detener la reacción nuclear, se puede inyectar nitrógeno gaseoso en el ciclo de refrigerante 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 transversal de 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 blindaje de neutrones, para reducir la activación del material cercano al núcleo del reactor.
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