El cambio en la tasa de fisión nuclear causado por los huecos dentro de un reactor.
En ingeniería nuclear , el coeficiente de vacío (más propiamente llamado coeficiente de reactividad de vacío ) es un número que se puede utilizar para estimar cuánto cambia la reactividad de un reactor nuclear a medida que se forman vacíos (típicamente burbujas de vapor) en el moderador o refrigerante del reactor . La reactividad neta en un reactor es la suma total de múltiples contribuciones, de las cuales el coeficiente de vacío es solo una. Los reactores en los que el moderador o el refrigerante son líquidos normalmente tendrán un valor de coeficiente de vacío que es negativo (si el reactor está poco moderado) o positivo (si el reactor está demasiado moderado). Los reactores en los que ni el moderador ni el refrigerante son líquidos (por ejemplo, un reactor moderado por grafito y enfriado por gas ) tendrán un valor de coeficiente de vacío igual a cero. No está claro cómo se aplica la definición de coeficiente de "vacío" a los reactores en los que el moderador/refrigerante no es ni líquido ni gaseoso ( reactor de agua supercrítica ).
Explicación
Los reactores de fisión nuclear funcionan mediante reacciones nucleares en cadena , en las que cada núcleo que sufre fisión libera calor y neutrones. Cada neutrón puede impactar contra otro núcleo y provocar su fisión. La velocidad de este neutrón afecta su probabilidad de causar fisión adicional, al igual que la presencia de material absorbente de neutrones. Por un lado, los neutrones térmicos son absorbidos más fácilmente por los núcleos fisibles que los neutrones rápidos , por lo que un moderador de neutrones que ralentice los neutrones aumentará la reactividad de un reactor nuclear. Por otro lado, un absorbente de neutrones disminuirá la reactividad de un reactor nuclear. Estos dos mecanismos se utilizan para controlar la producción de energía térmica de un reactor nuclear.
Para extraer energía útil de un reactor nuclear y (para la mayoría de los diseños de reactores) mantenerla intacta y en funcionamiento, se debe utilizar un sistema de refrigeración. Algunos reactores hacen circular agua a presión; algunos utilizan metales líquidos , como sodio , NaK , plomo o mercurio ; otros utilizan gases (ver reactor avanzado refrigerado por gas ). Si el refrigerante es líquido, puede hervir si aumenta la temperatura dentro del reactor. Esta ebullición produce huecos en el interior del reactor. También se pueden formar huecos si se pierde refrigerante del reactor en algún tipo de accidente (llamado accidente por pérdida de refrigerante , que tiene otros peligros). Algunos reactores funcionan con el refrigerante en constante estado de ebullición y utilizan el vapor generado para hacer girar las turbinas.
El líquido refrigerante puede actuar como absorbente de neutrones, como moderador de neutrones, normalmente como ambas cosas, pero con uno u otro papel como el más influyente. En cualquier caso, la cantidad de vacío dentro del reactor puede afectar la reactividad del reactor. El cambio en la reactividad causado por un cambio de huecos dentro del reactor es directamente proporcional al coeficiente de huecos .
Un coeficiente de vacío positivo significa que la reactividad aumenta a medida que aumenta el contenido de vacío dentro del reactor debido al aumento de la ebullición o la pérdida de refrigerante; por ejemplo, si el refrigerante actúa predominantemente como absorbente de neutrones. Este coeficiente de vacío positivo provoca un circuito de retroalimentación positiva , que comienza con la primera aparición de burbujas de vapor. Esto puede hervir rápidamente todo el refrigerante del reactor, si no se contrarresta con un mecanismo de control (automático), o si el tiempo de respuesta de dicho mecanismo es demasiado lento. Esto sucedió en el reactor RBMK que fue destruido en el desastre de Chernobyl cuando el mecanismo de control automático estaba en su mayor parte desactivado (y los operadores intentaban de manera algo imprudente restaurar rápidamente un alto nivel de potencia. Debido al mal diseño de la barra de control, los operadores no eran conscientes de que había había un nivel máximo de veneno de neutrones en el núcleo).
Un coeficiente de vacío negativo significa que la reactividad disminuye a medida que aumenta el contenido de vacío dentro del reactor, pero también significa que la reactividad aumenta si se reduce el contenido de vacío dentro del reactor. En reactores de agua en ebullición con grandes coeficientes de vacíos negativos, un aumento repentino de presión (causado, por ejemplo, por el cierre no planificado de una válvula de corriente) resultará en una disminución repentina del contenido de vacíos: el aumento de presión hará que algunas de las burbujas de vapor se disparen. condensar ("colapso"); y la salida térmica posiblemente aumentará hasta que sea terminada por los sistemas de seguridad, por una mayor formación de huecos debido a la mayor potencia o, posiblemente, por fallas del sistema o de los componentes que alivian la presión, provocando que el contenido de vacíos aumente y la potencia disminuya. Todos los reactores de agua en ebullición están diseñados (y son necesarios) para manejar este tipo de transitorios. Por otro lado, si un reactor está diseñado para funcionar sin ningún vacío, un coeficiente de vacío negativo grande puede servir como sistema de seguridad. Una pérdida de refrigerante en un reactor de este tipo disminuye la producción térmica, pero, por supuesto, el calor que se genera ya no se elimina, por lo que la temperatura podría aumentar (si todos los demás sistemas de seguridad fallaran simultáneamente).
Por lo tanto, un coeficiente de vacío grande, ya sea positivo o negativo, puede ser una cuestión de diseño (que requiere sistemas de control más cuidadosos y de acción más rápida) o una calidad deseada dependiendo del diseño del reactor. Los reactores refrigerados por gas no tienen problemas de formación de huecos.
Diseños de reactores
- Los reactores de agua en ebullición generalmente tienen coeficientes de vacío negativos y, en funcionamiento normal, el coeficiente de vacío negativo permite ajustar la potencia del reactor cambiando la velocidad del flujo de agua a través del núcleo. El coeficiente de vacío negativo puede provocar un aumento no planificado de la potencia del reactor en eventos (como el cierre repentino de una válvula de corriente) en los que la presión del reactor aumenta repentinamente. Además, el coeficiente de vacío negativo puede provocar oscilaciones de potencia en caso de una reducción repentina del flujo del núcleo, como la que podría provocar una falla de la bomba de recirculación. Los reactores de agua en ebullición están diseñados para garantizar que la tasa de aumento de presión debido al cierre repentino de una válvula de corriente se limite a valores aceptables, e incluyen múltiples sistemas de seguridad diseñados para garantizar que cualquier aumento repentino de potencia del reactor u oscilación de potencia inestable termine antes de que se produzca combustible o tuberías. pueden ocurrir daños.
- Los reactores de agua a presión funcionan con una cantidad relativamente pequeña de huecos y el agua sirve como moderador y refrigerante. Por lo tanto, un coeficiente de vacío negativo grande garantiza que si el agua hierve o se pierde, la producción de energía disminuirá.
- Los reactores CANDU tienen coeficientes de vacío positivos que son lo suficientemente pequeños como para que los sistemas de control puedan responder fácilmente al refrigerante hirviendo antes de que el reactor alcance temperaturas peligrosas (ver Referencias). Además, un accidente por pérdida de refrigerante paraliza automáticamente el reactor y, a diferencia de los reactores de agua ligera , la introducción de agua "normal" en el núcleo del reactor (por ejemplo, como refrigerante de emergencia) no plantea riesgo de criticidad , ya que una CANDU sólo puede alcanzar criticidad en ausencia de la absorción de neutrones que está presente en cantidades significativas de agua ligera.
- Los reactores RBMK , como los de Chernobyl, tenían un coeficiente de vacío positivo peligrosamente alto. Esto permitió que el reactor funcionara con uranio no enriquecido y no requiriera agua pesada , ahorrando costos (además, a diferencia de otros diseños de reactores principales rusos VVER , los RBMK eran de doble uso, [1] capaces de producir plutonio apto para armas ). Antes del accidente de Chernobyl, estos reactores tenían un coeficiente de vacío positivo de 4,7 beta , que después del accidente se redujo a 0,7 beta para que pudieran permanecer en servicio con seguridad.
- Los reactores reproductores rápidos no utilizan moderadores, ya que funcionan con neutrones rápidos , pero el refrigerante (a menudo plomo o sodio ) puede servir como absorbente y reflector de neutrones. Por esta razón tienen un coeficiente de vacío positivo.
- Los reactores Magnox , los reactores avanzados refrigerados por gas y los reactores de lecho de guijarros están refrigerados por gas, por lo que los coeficientes de vacío no son un problema. De hecho, algunos pueden diseñarse de modo que la pérdida total de refrigerante no provoque la fusión del núcleo, incluso en ausencia de sistemas de control activos. Como ocurre con cualquier diseño de reactor, la pérdida de refrigerante es sólo una de las muchas fallas posibles que podrían provocar un accidente. En caso de entrada accidental de agua líquida en el núcleo de reactores de lecho de guijarros, puede producirse un coeficiente de vacío positivo. [ cita necesaria ] Los reactores Magnox y UNGG fueron diseñados con el doble propósito de producir energía eléctrica y plutonio apto para armas.
- El reactor CANDU avanzado , un tipo de reactor propuesto nunca construido basado en el CANDU, promete un coeficiente de vacío negativo pero debe utilizar uranio ligeramente enriquecido como combustible y no puede funcionar con uranio natural como lo hace el CANDU "normal".
- En un reactor de sales fundidas, la sal no suele ser un moderador fuerte ni un veneno de neutrones. Si se utiliza un espectro de neutrones térmicos , normalmente se emplean moderadores externos como el grafito nuclear . Los productos de fisión volátiles pueden "burbujear" de la solución y, a medida que el combustible se disuelve en la sal, esto disminuye la reactividad en y alrededor del sitio de la burbuja. Además, la mayoría de los gases nobles producto de la fisión, entre ellos el Xenón-135 , son fuertes venenos de neutrones. Como el punto de ebullición de las sales involucradas es relativamente alto (en un punto en el que la integridad estructural del alojamiento de la sal fundida estaría en duda), generalmente se pone poco o ningún énfasis en las consecuencias de su ebullición. Con frecuencia, los reactores de sales fundidas emplean un tapón de fusión que se funde a temperaturas mucho más bajas que el punto de ebullición de las sales y les permite solidificarse en un receptor de núcleos .
Ver también
Notas
- ^ Prelas, Mark A.; Peck, Michael (7 de abril de 2016). Cuestiones de no proliferación de armas de destrucción masiva. Prensa CRC. pag. 89.ISBN 9781420028652. Consultado el 20 de abril de 2016 .
Referencias
- Chernobyl - Una perspectiva canadiense - Un folleto que describe los reactores nucleares en general y el diseño del RBMK en particular, centrándose en las diferencias de seguridad entre ellos y los reactores CANDU . Publicado por Atomic Energy of Canada Ltd. (AECL), diseñador del reactor CANDU.
- JJ Whitlock, ¿Por qué los reactores CANDU tienen un "coeficiente de vacío positivo"? - Una explicación publicada en The Canadian Nuclear FAQ , un sitio web de "preguntas frecuentes" y respuestas sobre la tecnología nuclear canadiense.
- JJ Whitlock, ¿Cómo cumplen los reactores CANDU altos estándares de seguridad, a pesar de tener un "coeficiente de vacío positivo"? - Una explicación publicada en The Canadian Nuclear FAQ , un sitio web de "preguntas frecuentes" y respuestas sobre la tecnología nuclear canadiense.
