¿Cómo funciona un reactor nuclear?

En los reactores nucleares, el combustible nuclear es transformado a través de la fisión en energía nuclear de una manera controlada: el interior del reactor aumenta de temperatura y aunque es un proceso fácil de entender, también es cierto que tiene cierta complejidad. Veamos entonces a continuación, cómo funciona un reactor nuclear, qué es lo […]
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En los reactores nucleares, el combustible nuclear es transformado a través de la fisión en energía nuclear de una manera controlada: el interior del reactor aumenta de temperatura y aunque es un proceso fácil de entender, también es cierto que tiene cierta complejidad. Veamos entonces a continuación, cómo funciona un reactor nuclear, qué es lo que se hace, cómo se enciende, cómo se puede parar y qué vida útil tienen los reactores nucleares.

A raíz del accidente en la central nuclear de Chernobyl, que ha vuelto a ser relevante debido a una serie de televisión de HBO lanzada hace unos meses, son muchos los que nos preguntáis sobre cómo funcionan los reactores nucleares y si tienen algún tipo de «caducidad». Lo explicamos a continuación.

Uso de energía nuclear

Como funciona reactor nuclear

Hay dos tipos de recursos energéticos utilizados para producir energía nuclear, uranio y torio, dos mineros radiactivos, aunque el uranio es el más utilizado y conocido, debido a la abundancia de reservas de uranio, lo que no compromete su agotamiento en corto o mediano plazo. El uranio se utiliza como combustible en reactores nucleares, en forma de óxido, aleación de metal o incluso carburo.

Algunos reactores utilizan uranio natural, pero la gran mayoría, como en el caso de los reactores moderados y refrigerados por agua, que equipan más de dos tercios de las centrales nucleares, utilizan uranio enriquecido como combustible.

El uranio es un elemento químico con el símbolo U y una masa igual a 238 (92 protones y 146 neutrones). Cuando el uranio está a temperatura ambiente, está en estado sólido. Fue el primer elemento en revelar propiedades radiactivas y fue descubierto en 1978.

La reacción nuclear es la modificación de la composición del núcleo atómico de un elemento, que puede transformarse en otro u otros elementos. Este proceso se produce de forma espontánea en algunos elementos. El caso más interesante es la posibilidad de provocar la reacción mediante técnicas de bombardeo por neutrones u otras partículas. Hay dos formas de reacciones nucleares: fisión nuclear, donde el núcleo atómico se divide en dos o más partículas; y fusión nuclear, en la que al menos dos núcleos atómicos se unen para formar un nuevo núcleo.

¿Cómo funciona un reactor nuclear?

reactor nuclear

Los reactores nucleares son, una de las partes fundamentales dentro de una central nuclear, junto con el generador de vapor, la turbina y el condensador.

Las partes más importantes de un reactor nuclear son el combustible, el reflector, el sistema refrigerante, el sistema de control, y la protección contra la radiación.

Cómo se forma el combustible del reactor nuclear

Como funciona reactor nuclear combustible

Para hacer funcionar un reactor nuclear se necesita el combustible nuclear en forma de pequeñas bolitas de dióxido de uranio que se encapsula dentro de varillas de zircaloy (aleación a base de circonio). A su vez, las barras de combustible se agrupan en matrices, por ejemplo, de 17×17 para constituir el elemento de combustible único. Alrededor de doscientos de estos elementos, distribuidos geométricamente de manera apropiada, forman el núcleo del reactor .

Cuando un neutrón golpea un núcleo de uranio 235 (es decir, compuesto por 92 protones y 143 neutrones), provoca su fisión, es decir, el núcleo se rompe en dos componentes más ligeros con la emisión de dos o tres neutrones. Estos neutrones recién emitidos pueden afectar a otros núcleos de235U, causando otras fisión y desencadenando la reacción en cadena , o pueden ser absorbidos por material inerte como el cadmio o escapar del perímetro del núcleo: en ambos casos no generan otras reacciones de fisión y no contribuyen al mantenimiento de la reacción en cadena. Cuando las barras de control, formadas por elementos que absorben neutrones, se insertan dentro del núcleo, la reacción en cadena tiende a extinguirse y la energía térmica producida puede controlarse hasta que el reactor se apaga por completo.

Sin embargo, no todos los isótopos de uranio son fisibles: por ejemplo, el isótopo más abundante de este elemento, que tiene un número de masa 238 (92 protones y 146 neutrones), no se divide si es golpeado por un neutrón, sino que se transforma en plutonio 239, que es fisionable en su lugar. Estos isótopos se llaman fértiles , ya que aunque no son fisionables, cuando absorben un neutrón, se transforman en un isótopo fisionable. Generalmente, un isótopo que tiene un número de masa impar y que absorbe un neutrón tiene una probabilidad de fisión mucho mayor que la de un isótopo de número de masa par.

Sin embargo, hay otro factor que debe tenerse en cuenta para desencadenar la reacción en cadena. Los neutrones producidos por la reacción de fisión tienen velocidades muy altas (superiores a 70 millones de km / h). En estas condiciones, la probabilidad de que un neutrón golpee un núcleo es muy baja: para aumentarlo, es necesario disminuir la velocidad de la partícula. Para este propósito, el núcleo se sumerge en un medio de moderación de neutrones: por ejemplo, el hidrógeno contenido en la molécula del agua natural hace esto bien. Si imaginamos que el neutrón es una bola de billar que golpea otra bola casi idéntica, ocurre que el neutrón transfiere la mayor parte de su energía cinética al protón (núcleo de hidrógeno), lo que ralentiza significativamente su funcionamiento. Si, por otro lado, el neutrón choca con una partícula mucho más masiva de la que simplemente rebotaría en otra dirección sin una disminución apreciable de su velocidad. Después de colisiones con los núcleos de hidrógeno en el agua, el neutrón se vuelve térmico, lo que significa que su velocidad ha disminuido a valores del orden de 8000 km / h: en este régimen, la probabilidad de que el neutrón durante su camino encuentra un núcleo fisible.

Las reacciones de fisión

Las reacciones de fisión producen calor que es recogido por el sistema refrigerante en el que se sumerge el núcleo: en el caso de los reactores PWR, el refrigerante es agua natural que también actúa como moderador de neutrones. Sin embargo, existen diferentes soluciones que utilizan un gas, dióxido de carbono como refrigerante y grafito como moderador. En otros tipos de reactores se usa agua pesada (deuterio en lugar de hidrógeno en la molécula de agua) y en otros todavía se usa un metal líquido como el sodio (reactores de espectro rápido) como moderador y refrigerante.

El calor extraído del núcleo del reactor aumenta la temperatura del refrigerante que fluye por medio de bombas adecuadas al circuito primario, donde se transporta a un intercambiador de calor donde transfiere su carga térmica al fluido que circula en el circuito secundario. En este segundo circuito se genera el vapor que hará que las palas de la turbina se muevan, lo que transferirá su energía cinética al alternador que la transformará en electricidad.

Cómo apagar un reactor nuclear

Como funciona reactor nuclear como apagar

Ya hemos visto cómo funciona un reactor nuclear y como se activa o enciende pero en el caso de que se produzca una fuga, o cualquier otro tipo de circunstancia, ¿es posible apagarlo?

Para apagar un reactor nuclear, debe detener la reacción en cadena. Para obtener una reacción en cadena en primer lugar, una cantidad suficiente de los neutrones que se están produciendo tienen que llegar a los núcleos que están esperando a la descomposición. Cuando en 2011 se produjo la fuga en la central de Fukushima en Japón los diseñadores apagaron los reactores instalando barras de control de absorción de neutrones que se podían insertar entre las barras de combustible para detener la reacción en cadena. Estas se activaron cuando ocurrió el terremoto posterior, absorbiendo suficientes neutrones para que la reacción en cadena se apagara.

Sin embargo, una vez que la reacción en cadena se detiene, las reacciones nucleares ordinarias se hacen cargo y continuan generando calor, aunque a una velocidad menor. De hecho, incluso una vez que se agota el combustible nuclear, aún debe mantenerse frío durante varios años hasta que estos procesos de descomposición natural finalmente desaparecen. Este es también el caso de un reactor en funcionamiento que se ha apagado o combustible que ha llegado al final de su vida útil: se requiere enfriamiento para eliminar el calor generado por los procesos de descomposición regulares.

Por lo tanto, para cerrar una planta de energía nuclear de manera segura, el combustible debe mantenerse frío durante un período prolongado de tiempo, incluso una vez que la reacción en cadena se apaga.

Cuál es la vida útil de un reactor nuclear

Como funciona reactor nuclear vida util

¿Puede un reactor nuclear durar años y años? Pues aunque no lo parezca, lo cierto es que la vida útil de los reactores en las plantas nucleares suele limitarse a los 40 años, aunque algunos expertos aseguran que no hay límites técnicos para que estas unidades produzcan energía limpia y confiable durante 40 años o más.

Si buscamos entre estudios o investigaciones, encontramos una investigación realizada en la última década por el Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) y el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica (EPRI), en la que se asegura que las empresas de servicios públicos ahora tienen la confianza y los datos que necesitan para solicitar una segunda licencia de operación de 20 años con la Comisión de Regulación Nuclear (NRC) .

A partir de esta información hemos sabido también que en cuatro empresas de servicios públicos ya anunciaron planes para extender sus licencias de operación y cuatro reactores ya han sido aprobados en Estados Unidos, de modo que se pretende que la vida útil de estos llegue a alcanzar los 60 años de vida y mucho más.

De hecho, ochenta y ocho de los 96 reactores de Estados Unidos han recibido la aprobación de su primera extensión de 20 años. La mayoría de estos expirarán en la década de 2030. Debido a la cantidad de tiempo que lleva prepararse para las revisiones regulatorias, las empresas de servicios públicos ahora están determinando si deben solicitar 20 años adicionales de servicio. ¿Qué significa esto? Pues que si bien la mayoría de estos reactores alcanzan ya los casi 40 años de vida, la intención para todos ellos es que lleguen a los 80 años, algo que también algunos expertos ponen en duda y no recomiendan para nada.

Tipos de reactores nucleares

reactor nuclear

Para comprobar cuál es la vida útil de un reactor, más allá de sus 40 años de vida que suelen tener de media, tenemos que tener en cuenta varios factores y uno de ellos, es el tipo de reactor nuclear.

De momento los reactores nucleares usados para producir energía consumible por el ser humano son de fisión, aunque ya existen algunos que experimentan con la fusión nuclear. Entre los reactores de fisión podemos distinguir:

  • LWR – Light Water Reactors: Los más comunes. Funcionan a base de uranio enriqucido.
  • FBR – Fast Breeder Reactors: Utilizan plutonio como combustible.
  • CANDU – Canada Deuterium Uranium: Usan como combustible uranio natural.
  • AGR – Advanced Gas-cooled Reactor: Hya unos 20 en todo el mundo. Funcionan con uranio y utilizan gases como refrigerante.
  • ADS – Accelerator Driven System: Basados en la aceleración de partículas. En fase experimental.
  • RBMK – Reactor Bolshoy Moshchnosty Kanalny: Tipo de reactores casi en desuso, solo quedan una decena en todo el mundo. El de Chernobyl era uno de ellos.

Como hemos citado al comienzo del artículo, los reactores nucleares son básicos porque se produce el proceso de fisión nuclear. Pero, ¿cuáles son sus ventajas e inconvenientes?

Ventajas de los reactores nucleares

Como funciona reactor nuclear ventajas

Las principales ventajas de los reactores nucleares se basan en su capacidad para producir una gran cantidad de energía en poco tiempo. Además, el proceso para la producción de energía no es tan contaminante como otros modos de producción de energía basados en el uso de combustibles fósiles. Para producir esta energía los reactores nucleares no expulsan gases de efecto invernadero, o lo hacen en mucha menor medida que otras industrias, con lo que no contribuyen a agravar el calentamiento global y el efecto invernadero.

Por otro lado, la probabilidad de un accidente nuclear es muy pequeña, pero existe, como lo muestra el caso del accidente de Chernobyl o el de Fukushima. Tal accidente podría causar la contaminación de grandes regiones, que serían inhabitables; conduciría a la contaminación de ríos, lagos, suelos y aguas subterráneas; causaría la muerte de muchas personas, animales, plantas; y causaría cambios genéticos;

Inconvenientes de los reactores nucleares

reactor nuclear por dentro

Los inconvenientes a los reactores nucleares y a las plantas nucleares en sí mismas tienen su foco en la seguridad y el temor a accidentes que ya hemos mencionado anteriormente.

La energía nuclear es muy poderosa pero muy peligrosa, por lo que siempre está latente el miedo a un desastre provocado por un fallo humano, una avería, un ataque o a causa de las condiciones naturales, como en Fukushima. Los residuos producidos en el proceso de fisión nuclear son altamente radiactivos y, por tanto, una importante amenaza para la salud de cualquier ser vivo, por lo que es necesario extremar la condiciones de seguridad. Estos residuos deben almacenarse en basureros nucleares, y llegará un momento en que será difícil encontrar el lugar para tanto residuo.

No podemos olvidarnos nunca que la formación de desechos nucleares peligrosos y la emisión causal de radiación provocan contaminación radiactiva. Los residuos son así como decimos, uno de los principales inconvenientes de esta energía, ya que actualmente no existen planes para este residuo, ya sea con niveles bajos o altos de radiactividad. Estos pueden tener una vida útil de hasta 300 años después de su producción y, por lo tanto, pueden dañar a las generaciones futuras.

Otro de los grandes temores es la posibilidad de que los reactores nucleares sean usados con fines bélicos, como ya sucedió durante la 2ª Guerra Mundial en Hiroshima y Nagasaki. Los reactores de fisión nuclear podrían ser usados para crear plutonio, con el cual fabricar bombas atómicas.

Por último, no nos podemos olvidar que la inversión inicial y el mantenimiento de la energía nuclear representan altos costos.

En cualquier caso, se trata de una energía controvertida: progreso para unos, semilla de un desastre para otros.

Os dejamos un documental en castellano emitido en TVE en el que se habla sobre distintos procesos que se realizan en una planta nuclear, como el tratamiento de residuos, y los efectos que estos reactores nucleares pueden tener en el entorno.

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3 Comentarios en “¿Cómo funciona un reactor nuclear?”

  1. camila dice:

    muy buena info.. muchas gracias

  2. Leo dice:

    Quisiera recibir información acerca de los residuos que mencionaste xfv. Muy claro el informe. Gracias.

  3. Esteban D. Bolatti dice:

    En realidad, creo que la energía nuclear es un tipo más de enrgía y aunque tenga mala prensa si es bien manejada puede aprovecharse no sólo para la generación de energía, sino también con fines médicos y otros múltiples usos. Esteban D. Bolatti