El grafito nuclear es cualquier grado de grafito , generalmente grafito sintético , fabricado para usarse como moderador o reflector dentro de un reactor nuclear . El grafito es un material importante para la construcción de reactores nucleares tanto históricos como modernos , debido a su extrema pureza y capacidad para soportar temperaturas extremadamente altas.
La fisión nuclear , la creación de una reacción nuclear en cadena en el uranio , fue descubierta en 1939 tras los experimentos de Otto Hahn y Fritz Strassman , y la interpretación de sus resultados por físicos como Lise Meitner y Otto Frisch . [1] [2] Poco después, la noticia del descubrimiento se extendió por toda la comunidad física internacional.
Para que el proceso de fisión reaccione en cadena, los neutrones creados por la fisión del uranio deben ralentizarse interactuando con un moderador de neutrones (un elemento con un peso atómico bajo, que "rebotará" cuando sea golpeado por un neutrón) antes de que lo hagan. ser capturado por otros átomos de uranio. A finales de 1939, se hizo bien conocido que los dos moderadores más prometedores eran el agua pesada y el grafito . [3]
En febrero de 1940, utilizando fondos que le fueron asignados en parte como resultado de la carta de Einstein-Szilard al presidente Roosevelt, Leo Szilard compró varias toneladas de grafito a la Speer Carbon Company y a la National Carbon Company (la División Nacional de Carbono de Union Carbide) . y Carbon Corporation en Cleveland, Ohio) para su uso en los primeros experimentos de fisión de Enrico Fermi , la llamada pila exponencial. [4] : 190 Fermi escribe que "Los resultados de este experimento fueron [sic] algo desalentadores" [5] presumiblemente debido a la absorción de neutrones por alguna impureza desconocida. [6] : 40 Entonces, en diciembre de 1940 Fermi y Szilard se reunieron con Herbert G. MacPherson y VC Hamister en National Carbon para discutir la posible existencia de impurezas en el grafito. [7] : 143 Durante esta conversación quedó claro que pequeñas cantidades de impurezas de boro eran la fuente del problema. [3] [8]
Como resultado de esta reunión, durante los siguientes dos años, MacPherson y Hamister desarrollaron técnicas de purificación por extracción térmica y de gases en National Carbon para la producción de grafito libre de boro. [8] [9] El producto resultante fue designado AGOT Graphite ("Temperatura ordinaria de grafito Acheson") por National Carbon, y fue "el primer grafito verdadero de grado nuclear". [10]
Durante este período, Fermi y Szilard compraron grafito de varios fabricantes con diversos grados de sección transversal de absorción de neutrones : grafito AGX de National Carbon Company con una sección transversal de 6,68 mb (milibarns), grafito estadounidense de la United States Graphite Company con una sección transversal de 6,38 mb, Speer grafito de Speer Carbon Company con una sección transversal de 5,51 mb, y cuando estuvo disponible, grafito AGOT de National Carbon, con una sección transversal de 4,97 mb. [6] : 178 [11] : 4 (Ver también Haag [2005].) En noviembre de 1942, National Carbon había enviado 250 toneladas de grafito AGOT a la Universidad de Chicago [4] : 200 , donde se convirtió en la principal fuente de grafito para Se utilizará en la construcción del Chicago Pile-1 de Fermi , el primer reactor nuclear que generó una reacción en cadena sostenida (2 de diciembre de 1942). [6] : Se utilizó grafito 295 AGOT para construir el reactor de grafito X-10 en Oak Ridge TN (principios de 1943) y los primeros reactores en el sitio de Hanford en Washington (mediados de 1943), [11] : 5 para la producción de plutonio durante y después de la Segunda Guerra Mundial. [8] [10] El proceso AGOT y sus refinamientos posteriores se convirtieron en técnicas estándar en la fabricación de grafito nuclear. [11]
La sección transversal de neutrones del grafito también fue investigada durante la Segunda Guerra Mundial en Alemania por Walter Bothe , P. Jensen y Werner Heisenberg . El grafito más puro de que disponían era un producto de la empresa Siemens Plania, que presentaba una sección transversal de absorción de neutrones de aproximadamente 6,4 mb [12] : 370 a 7,5 mb (Haag 2005). Por lo tanto, Heisenberg decidió que el grafito no sería adecuado como moderador en el diseño de un reactor que utiliza uranio natural , debido a esta tasa aparentemente alta de absorción de neutrones. [3] [12] [13] En consecuencia, el esfuerzo alemán para crear una reacción en cadena implicó intentos de utilizar agua pesada , una alternativa costosa y escasa, aún más difícil de adquirir como consecuencia del sabotaje noruego del agua pesada por parte de Noruega. y fuerzas aliadas. En 1947, Heisenberg todavía no entendía que el único problema con el grafito era la impureza de boro. [13]
El grafito también se ha utilizado recientemente en reactores de fusión nuclear como el Wendelstein 7-X . Según los experimentos publicados en 2019, el grafito en elementos de la pared del estelarador y un desviador de isla de grafito han mejorado enormemente el rendimiento del plasma dentro del dispositivo, lo que produce un mejor control sobre las impurezas y el escape de calor, y las descargas prolongadas de alta densidad. [14]
En diciembre de 1942, Eugene Wigner sugirió [15] que el bombardeo de neutrones podría introducir dislocaciones y otros daños en la estructura molecular de materiales como el moderador de grafito en un reactor nuclear (el efecto Wigner ). La resultante acumulación de energía en el material se convirtió en un motivo de preocupación [10] : 5 Se sugirió la posibilidad de que las barras de grafito se fusionaran como enlaces químicos en la superficie de las barras cuando se abrieran y cerraran nuevamente. Incluso no se puede descartar la posibilidad de que las piezas de grafito se rompan muy rápidamente en pedazos pequeños. Sin embargo, los primeros reactores productores de energía ( el reactor de grafito X-10 y el reactor Hanford B ) tuvieron que construirse sin ese conocimiento. Los ciclotrones , que eran las únicas fuentes de neutrones rápidos disponibles, tardarían varios meses en producir una irradiación de neutrones equivalente a un día en un reactor Hanford.
Este fue el punto de partida de programas de investigación a gran escala para investigar los cambios de propiedades debidos a la radiación rápida de partículas y predecir su influencia en la seguridad y la vida útil de los reactores de grafito que se construirían. Las influencias de la radiación de neutrones rápidos sobre la resistencia , la conductividad eléctrica y térmica , la expansividad térmica , la estabilidad dimensional, el almacenamiento de energía interna ( energía de Wigner ) y muchas otras propiedades se han observado muchas veces y en muchos países después de que surgieran los primeros resultados. el reactor X-10 en 1944.
Aunque nunca se han producido comportamientos catastróficos como la fusión o el desmoronamiento de piezas de grafito, sí se producen grandes cambios en muchas propiedades como resultado de la irradiación de neutrones rápidos que deben tenerse en cuenta cuando se diseñan los componentes de grafito de los reactores nucleares. Aunque todavía no se comprenden bien todos los efectos, más de 100 reactores de grafito han funcionado con éxito durante décadas desde la década de 1940. Algunos accidentes graves en reactores de grafito no pueden atribuirse en ningún caso a información insuficiente (en el momento del diseño) sobre las propiedades del grafito utilizado. [ cita necesaria ] En la década de 2010, la recopilación de nuevos datos sobre propiedades de materiales ha mejorado significativamente el conocimiento. [16] [17]
El grafito apto para reactor debe estar libre de materiales absorbentes de neutrones, especialmente boro , que tiene una gran sección transversal de captura de neutrones. Las fuentes de boro en el grafito incluyen las materias primas, los materiales de embalaje utilizados para hornear el producto e incluso la elección del jabón (por ejemplo, bórax) utilizado para lavar la ropa que usan los trabajadores en el taller de maquinaria. [11] : 80 La concentración de boro en grafito purificado térmicamente (como el grafito AGOT) puede ser inferior a 0,4 ppm [11] : 81 y en grafito nuclear purificado químicamente es inferior a 0,06 ppm. [11] : 47
Esto describe el comportamiento del grafito nuclear, específicamente cuando se expone a una irradiación de neutrones rápidos.
Fenómenos específicos abordados:
Como el estado del grafito nuclear en los reactores activos sólo puede determinarse mediante inspecciones de rutina, aproximadamente cada 18 meses, es importante realizar modelos matemáticos del grafito nuclear a medida que se acerca al final de su vida útil. Sin embargo, como sólo se pueden inspeccionar las características de la superficie y no se conoce el momento exacto de los cambios, el modelado de confiabilidad es especialmente difícil. [18]
El grafito nuclear para los reactores Magnox del Reino Unido se fabricó a partir de coque de petróleo mezclado con brea aglutinante a base de carbón, calentado y extruido en palanquillas, y luego cocido a 1.000 °C durante varios días. Para reducir la porosidad y aumentar la densidad , las palanquillas se impregnaron con alquitrán de hulla a alta temperatura y presión antes de un horneado final a 2.800 °C. Luego se mecanizaron palanquillas individuales hasta darles las formas finales requeridas. [19]
Ha habido dos accidentes importantes en reactores moderados con grafito, el incendio de Windscale y el desastre de Chernóbil .
En el incendio de Windscale, se utilizó un proceso de recocido no probado para el grafito, lo que provocó un sobrecalentamiento en áreas no controladas del núcleo y condujo directamente a la ignición del fuego. El material que se encendió no fue el moderador de grafito en sí, sino los botes de combustible de uranio metálico dentro del reactor. Cuando se extinguió el fuego, se descubrió que las únicas áreas del moderador de grafito que habían sufrido daños térmicos eran aquellas que estaban cerca de los botes de combustible en llamas. [20] [21]
En el desastre de Chernobyl, el moderador no fue responsable del evento principal. En cambio, una enorme excursión de energía durante una prueba mal manejada provocó una falla catastrófica de la vasija del reactor y una pérdida casi total del suministro de refrigerante. El resultado fue que las barras de combustible se fundieron rápidamente y fluyeron juntas mientras se encontraban en un estado de energía extremadamente alto, lo que provocó que una pequeña porción del núcleo alcanzara un estado de criticidad rápida y desbocada y provocara una liberación masiva de energía, [22] que resultó en la explosión. del núcleo del reactor y la destrucción del edificio del reactor. La liberación masiva de energía durante el evento primario sobrecalentó el moderador de grafito, y la interrupción de la vasija del reactor y el edificio permitió que el grafito sobrecalentado entrara en contacto con el oxígeno atmosférico. Como resultado, el moderador de grafito se incendió, enviando una columna de lluvia altamente radiactiva a la atmósfera y sobre un área muy extensa. [23]
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