En aplicaciones como los reactores nucleares , un veneno de neutrones (también llamado absorbente de neutrones o veneno nuclear ) es una sustancia con una gran sección transversal de absorción de neutrones . [1] En tales aplicaciones, la absorción de neutrones suele ser un efecto indeseable. Sin embargo, en algunos tipos de reactores se insertan intencionalmente materiales absorbentes de neutrones, también llamados venenos, para reducir la alta reactividad de su carga inicial de combustible fresco. Algunos de estos venenos se agotan a medida que absorben neutrones durante el funcionamiento del reactor, mientras que otros permanecen relativamente constantes.
La captura de neutrones por productos de fisión de vida media corta se conoce como envenenamiento del reactor ; La captura de neutrones por productos de fisión estables o de vida larga se denomina escoria del reactor . [2]
Algunos de los productos de fisión generados durante las reacciones nucleares tienen una alta capacidad de absorción de neutrones, como el xenón-135 (sección transversal microscópica σ = 2.000.000 de graneros (b); hasta 3 millones de graneros en condiciones de reactor) [3] y el samario-149. (σ = 74.500 b). Debido a que estos dos venenos de productos de fisión eliminan neutrones del reactor, afectarán el factor de utilización térmica y, por tanto, la reactividad. El envenenamiento del núcleo de un reactor por estos productos de fisión puede llegar a ser tan grave que la reacción en cadena se detenga.
El xenón-135, en particular, afecta enormemente al funcionamiento de un reactor nuclear porque es el veneno de neutrones más potente conocido. La imposibilidad de reiniciar un reactor debido a la acumulación de xenón-135 (alcanza un máximo después de aproximadamente 10 horas) a veces se denomina arranque impedido por xenón . El período de tiempo en el que el reactor no puede anular los efectos del xenón-135 se denomina tiempo muerto de xenón o interrupción por envenenamiento . Durante los períodos de funcionamiento en estado estacionario, a un nivel de flujo de neutrones constante , la concentración de xenón-135 alcanza su valor de equilibrio para la potencia de ese reactor en aproximadamente 40 a 50 horas. Cuando se aumenta la potencia del reactor, la concentración de xenón-135 inicialmente disminuye porque el quemado aumenta en el nuevo nivel de potencia más alto. Por tanto, la dinámica del envenenamiento por xenón es importante para la estabilidad del patrón de flujo y la distribución geométrica de la potencia, especialmente en reactores físicamente grandes.
Debido a que el 95% de la producción de xenón-135 proviene de la desintegración del yodo-135 , que tiene una vida media de 6 a 7 horas, la producción de xenón-135 permanece constante; en este punto, la concentración de xenón-135 alcanza un mínimo. Luego, la concentración aumenta hasta el equilibrio para el nuevo nivel de potencia al mismo tiempo, aproximadamente entre 40 y 50 horas. La magnitud y la tasa de cambio de concentración durante el período inicial de 4 a 6 horas después del cambio de potencia dependen del nivel de potencia inicial y de la cantidad de cambio en el nivel de potencia; el cambio de concentración de xenón-135 es mayor para un cambio mayor en el nivel de potencia. Cuando la potencia del reactor disminuye, el proceso se invierte. [4]
Como el samario-149 no es radiactivo y no se elimina por desintegración, presenta problemas algo diferentes de los encontrados con el xenón-135. La concentración de equilibrio (y por tanto el efecto de envenenamiento) alcanza un valor de equilibrio durante el funcionamiento del reactor en unas 500 horas (unas tres semanas) y, dado que el samario-149 es estable, la concentración permanece esencialmente constante durante el funcionamiento del reactor. [5] Otro isótopo problemático que se acumula es el gadolinio-157 , con una sección transversal microscópica de σ = 200.000 b.
Hay muchos otros productos de fisión que, debido a su concentración y a su sección transversal de absorción de neutrones térmicos, tienen un efecto tóxico sobre el funcionamiento del reactor. Individualmente tienen poca importancia, pero en conjunto tienen un efecto significativo. Estos a menudo se caracterizan como venenos de productos de fisión agrupados y se acumulan a un ritmo promedio de 50 graneros por evento de fisión en el reactor. La acumulación de venenos de productos de fisión en el combustible conduce finalmente a una pérdida de eficiencia y, en algunos casos, a inestabilidad. En la práctica, la acumulación de venenos en el combustible nuclear es lo que determina la vida útil del combustible nuclear en un reactor: mucho antes de que se hayan producido todas las fisiones posibles, la acumulación de productos de fisión de larga duración que absorben neutrones amortigua la reacción en cadena. Ésta es la razón por la que el reprocesamiento nuclear es una actividad útil: el combustible nuclear sólido gastado contiene alrededor del 97% del material fisionable original presente en el combustible nuclear recién fabricado. La separación química de los productos de fisión restaura el combustible para que pueda volver a utilizarse.
Otros enfoques potenciales para la eliminación de productos de fisión incluyen combustible sólido pero poroso que permite el escape de los productos de fisión [6] y combustible líquido o gaseoso ( reactor de sales fundidas , reactor acuoso homogéneo ). Estos alivian el problema de la acumulación de productos de fisión en el combustible, pero plantean el problema adicional de eliminar y almacenar de forma segura los productos de fisión. Algunos productos de fisión son en sí mismos estables o se descomponen rápidamente en nucleidos estables. De los productos de fisión de vida media y larga (aproximadamente media docena cada uno) , algunos, como99
Tc , se proponen para la transmutación nuclear precisamente debido a su sección transversal de captura no despreciable.
Otros productos de fisión con secciones transversales de absorción relativamente altas incluyen 83 Kr, 95 Mo, 143 Nd, 147 Pm. [7] Por encima de esta masa, incluso muchos isótopos con números de masa pares tienen grandes secciones transversales de absorción, lo que permite que un núcleo absorba en serie múltiples neutrones. La fisión de actínidos más pesados produce más productos de fisión más pesados en el rango de los lantánidos, por lo que la sección transversal de absorción de neutrones total de los productos de fisión es mayor. [8]
En un reactor rápido, la situación de envenenamiento por productos de fisión puede diferir significativamente porque las secciones transversales de absorción de neutrones pueden diferir para los neutrones térmicos y los neutrones rápidos . En el reactor rápido refrigerado por plomo-bismuto RBEC-M , los productos de fisión con captura de neutrones que representan más del 5% de la captura total de productos de fisión son, en orden, 133 Cs, 101 Ru , 103 Rh, 99 Tc, 105 Pd y 107 Pd en el núcleo , con 149 Sm reemplazando a 107 Pd por el sexto lugar en la clasificación de cría. [9]
Además de los venenos de los productos de fisión, otros materiales del reactor se desintegran formando materiales que actúan como venenos de neutrones. Un ejemplo de esto es la desintegración del tritio en helio-3 . Dado que el tritio tiene una vida media de 12,3 años, normalmente esta desintegración no afecta significativamente las operaciones del reactor porque la velocidad de desintegración del tritio es muy lenta. Sin embargo, si se produce tritio en un reactor y luego se le permite permanecer en el reactor durante una parada prolongada de varios meses, una cantidad suficiente de tritio puede descomponerse en helio-3 para añadir una cantidad significativa de reactividad negativa. Cualquier helio-3 producido en el reactor durante un período de parada se eliminará durante la operación posterior mediante una reacción de neutrones y protones. [ se necesita aclaración ] Los reactores de agua pesada a presión producirán cantidades pequeñas pero notables de tritio mediante la captura de neutrones en el moderador de agua pesada, que también se desintegrará en helio-3. Dado el alto valor de mercado tanto del tritio como del helio-3, el tritio se elimina periódicamente del moderador/refrigerante de algunos reactores CANDU y se vende con ganancias. [10] La boración de agua (la adición de ácido bórico al moderador/refrigerante) que se emplea comúnmente en reactores de agua ligera a presión también produce cantidades no despreciables de tritio a través de reacciones sucesivas.10
5B ( norte , α )7
3Li y7
3Li (n,αn)3 1T o (en presencia de neutrones rápidos )7
3Li (n,2n)6
3Li y posteriormente6
3Li (n,α)3
1T. _ Los neutrones rápidos también producen tritio directamente a partir del boro mediante10
5B (n,2α)3
1T. _ [11] Todos los reactores de fisión nuclear producen una determinada cantidad de tritio mediante fisión ternaria . [12]
Durante el funcionamiento de un reactor, la cantidad de combustible contenida en el núcleo disminuye de forma monótona . Si el reactor va a funcionar durante un largo período de tiempo, cuando se alimente el reactor se debe agregar combustible en exceso del necesario para la criticidad exacta. La reactividad positiva debida al exceso de combustible debe equilibrarse con la reactividad negativa del material absorbente de neutrones. Las barras de control móviles que contienen material absorbente de neutrones son un método, pero las barras de control por sí solas para equilibrar el exceso de reactividad pueden resultar poco prácticas para un diseño de núcleo particular, ya que puede no haber suficiente espacio para las barras o sus mecanismos, especialmente en los submarinos, donde el espacio es particularmente limitado. en demanda.
Para controlar grandes cantidades de exceso de reactividad del combustible sin barras de control, se cargan venenos combustibles en el núcleo. Los venenos quemables son materiales que tienen una sección transversal de alta absorción de neutrones que se convierten en materiales de sección transversal de absorción relativamente baja como resultado de la absorción de neutrones. Debido a la quema del material venenoso, la reactividad negativa del veneno combustible disminuye a lo largo de la vida útil del núcleo. Idealmente, estos venenos deberían disminuir su reactividad negativa al mismo ritmo que se agota el exceso de reactividad positiva del combustible.
Los venenos combustibles fijos se utilizan generalmente en forma de compuestos de boro [13] o gadolinio que se moldean en placas o clavijas de celosía separadas, o se introducen como aditivos en el combustible. Dado que normalmente pueden distribuirse de manera más uniforme que las barras de control, estos venenos perturban menos la distribución de energía del núcleo. Los venenos combustibles fijos también se pueden cargar discretamente en ubicaciones específicas del núcleo para dar forma o controlar los perfiles de flujo y evitar un flujo excesivo y picos de potencia cerca de ciertas regiones del reactor. Sin embargo, la práctica actual es utilizar venenos fijos no combustibles en este servicio. [14]
Un veneno no quemable es aquel que mantiene un valor de reactividad negativa constante durante la vida útil del núcleo. Si bien ningún veneno de neutrones es estrictamente incombustible, ciertos materiales pueden tratarse como venenos no combustibles bajo ciertas condiciones. Un ejemplo es el hafnio . Tiene cinco isótopos estables ,176
hf
a través de180
hf
, que pueden absorber neutrones, por lo que los primeros cuatro no se modifican químicamente al absorber neutrones. (Una absorción final produce181
hf
, que desintegra beta a181
Ejército de reserva
.) Esta cadena de absorción da como resultado un veneno combustible de larga duración que se aproxima a las características no combustibles. [15]
Los venenos solubles, también llamados calces químicos , producen una absorción de neutrones espacialmente uniforme cuando se disuelven en el agua refrigerante . El veneno soluble más común en los reactores comerciales de agua a presión (PWR) es el ácido bórico , al que a menudo se hace referencia como boro soluble . El ácido bórico en el refrigerante disminuye el factor de utilización térmica, provocando una disminución de la reactividad. Al variar la concentración de ácido bórico en el refrigerante, un proceso denominado boración y dilución, la reactividad del núcleo se puede variar fácilmente. Si se aumenta la concentración de boro (boración), el refrigerante/moderador absorbe más neutrones, añadiendo reactividad negativa. Si se reduce la concentración de boro (dilución), se añade reactividad positiva. El cambio de la concentración de boro en un PWR es un proceso lento y se utiliza principalmente para compensar el consumo de combustible o la acumulación de veneno.
La variación en la concentración de boro permite minimizar el uso de la varilla de control, lo que da como resultado un perfil de flujo más plano sobre el núcleo que el que se puede producir mediante la inserción de la varilla. El perfil de flujo más plano se produce porque no hay regiones de flujo deprimido como las que se producirían en las proximidades de las barras de control insertadas. Este sistema no se utiliza ampliamente porque los productos químicos hacen que el coeficiente de reactividad de la temperatura del moderador sea menos negativo. [14] Todos los tipos comerciales de PWR que operan en los EE. UU. (Westinghouse, Combustion Engineering y Babcock & Wilcox) emplean boro soluble para controlar el exceso de reactividad. Los reactores de la Armada de EE. UU. y los reactores de agua en ebullición no lo hacen. [ cita necesaria ] Un problema conocido del ácido bórico es que aumenta los riesgos de corrosión, como se ilustra en un incidente de 2002 en la central nuclear Davis-Besse . [dieciséis]
Los venenos solubles también se utilizan en sistemas de parada de emergencia. Durante SCRAM, los operadores pueden inyectar soluciones que contienen venenos de neutrones directamente en el refrigerante del reactor. Se utilizan diversas soluciones acuosas, entre ellas bórax y nitrato de gadolinio (Gd(NO 3 ) 3 · x H 2 O). [14]