Reactores Nucleares

¿Qué son los reactores nucleares? Los fundamentos

El reactor nuclear es el corazón de cualquiercentral nuclear. Sin embargo, fuera del reactor principal, una central nuclear genera electricidad de forma sorprendentemente similar a una central de carbón. En última instancia, la energía liberada por las reacciones nucleares en el interior de un reactor se utiliza simplemente para calentar y hervir agua. El vapor produce entonces trabajo mecánico para hacer girar una turbina y generar electricidad. Posteriormente, el vapor se enfría en el condensador para ser reutilizado en el reactor. Las centrales nucleares son un ejemplo de motor térmico.

Diagrama de cómo se genera electricidad en una central nuclear, Flickr CC BY-NC-SA 2.0

Existen dos métodos para calentar el agua utilizando reacciones nucleares. El primero es la fisión nuclear, en la que un núcleo padre se divide en dos núcleos hijos. La masa de los dos núcleos hijos es siempre menor que la del núcleo padre, esta masa faltante se libera en forma de energía.

El segundo método posible de calentamiento es a través de la fusión nuclear, en la que dos núcleos atómicos ligeros son forzados a unirse y fusionarse en un solo núcleo. Al igual que en la fisión, el núcleo resultante de una reacción de fusión tiene una masa menor que los dos núcleos originales. La masa sobrante se libera en forma de energía.

Ejemplos de reactores nucleares

En marzo de 2022, en el Reino Unido funcionaban 11 reactores nucleares en 5 emplazamientos diferentes. La energía nuclear generó más del 16% de las necesidades energéticas del país en 2020 y ese porcentaje está aumentando debido a los incentivos y subvenciones recientemente introducidos por el gobierno. La lista de centrales nucleares activas en el Reino Unido incluye Hinkley Point B, Hartlepool, Heysham 1, Heysham 2, Torness y Sizewell B.

Reactor nuclear de fisión

En una reacción de fisión nuclear, un núcleo padre se divide para producir dos núcleos hijos. La diferencia de masa antes y después de la reacción se convierte directamente en energía. El tipo más común de combustible nuclear utilizado en los reactores de fisión es el uranio-235. Desgraciadamente, la energía liberada por la división deun solo átomo de uranio-235 es de sólo \cdot 10^{-11} J\(3,2). Esto es insignificante comparado con nuestras necesidades energéticas modernas, ya que un hogar medio del Reino Unido necesita unos¹⁰¹⁰ julios de energía al año. Afortunadamente, dentro de un solo kilogramo de uranio existe un número insondablemente grande de átomos de uranio 235. Entonces, ¿cómo dividimos más de un núcleo atómico a la vez? La respuesta son las reacciones nucleares en cadena.

Dentro de un reactor nuclear de fisión, cuando un isótopo de Uranio-235 absorbe un neutrón, se convierte brevemente en Uranio-236. El U-236 es extremadamente inestable. El U-236 es extremadamente inestable y se desintegrará rápidamente en dos núcleos hijos, Cesio-140 y Rubidio-92, liberando energía. Sin embargo, los dos núcleos hijos no son los únicos productos de la fisión nuclear. También se emiten dos o tres neutrones. Si la fuente de combustible de uranio es lo suficientemente densa, estos neutrones pueden ser absorbidos por otros isótopos de U-235, provocando la división de más núcleos en otras reacciones de fisión nuclear, ¡liberando más energía!

En el diagrama anterior puedes ver que la fisión del núcleo del ejemplo anterior produce 3 neutrones nuevos, que a su vez son absorbidos por otros 3 núcleos atómicos. Esos núcleos también se dividirán, ¡emitiendo 9 neutrones nuevos en total! Así pues, si cada caso de fisión produce 3 nuevos neutrones, el número de reacciones de fisión se triplicará en cada nueva generación (suponiendo que todos los neutrones emitidos colisionen realmente con un núcleo atómico).

En la tabla anterior puedes ver cómo una reacción nuclear en cadena podría descontrolarse rápidamente, liberando una enorme cantidad de energía en muy poco tiempo. Así es como funcionan las armas nucleares. Una reacción nuclear en cadena incontrolada que conduce a una explosión catastrófica. Evidentemente, para nuestras necesidades energéticas, necesitaríamos poder regular esta reacción para controlar la cantidad de energía liberada.

Diagrama de un reactor nuclear

Para comprender cómo controlar una reacción nuclear en cadena para utilizarla en nuestras centrales eléctricas, debemos estudiar el diseño de un reactor nuclear de fisión. Un reactor de fisión tiene mecanismos diseñados para moderar una reacción en cadena de modo que podamos extraer la cantidad exacta de energía deseada. Esto es especialmente útil, ya que la demanda de energía del Reino Unido en la red nacional cambia en función de muchos factores diferentes, como la hora del día, el tiempo, la estación del año, etc.

Los componentes principales de un reactor nuclear de fisión, Wikimedia Commons CC-BY-2.5

Un reactor nuclear de fisión contiene muchas piezas importantes. La fuente de combustible nuclear (uranio, plutonio, torio, etc.) se mantiene en barras de combustible que están recubiertas por un moderador de grafito. El grafito entre las barras de combustible ralentiza los neutrones emitidos, lo que hace más probable que sean absorbidos por el combustible nuclear de otra barra, lo que inducirá una mayor tasa de fisión nuclear.

El principal mecanismo que controla el ritmo de la reacción nuclear en cadena dentro del reactor de fisión son las barras de control. Suelen estar hechas de elementos como la plata o el boro, que pueden absorber fácilmente neutrones sin dividirse. Por tanto, una reacción nuclear en cadena puede controlarse bajando o subiendo estas barras de control. Puedes ralentizar la velocidad de reacción bajando las barras de control más hacia el interior del núcleo. A la inversa, puedes aumentar la velocidad de la reacción retirando progresivamente las barras de control. Con varias barras de control, es sencillo mantener el control del proceso de fisión en tiempo real.

Elblindaje contra la radiación (normalmente de hormigón) se utiliza para proteger el entorno exterior de los productos derivados radiactivos y nocivos de las reacciones de fisión. La energía generada por la fisión nuclear en el reactor se utiliza para calentar agua, de modo que el vapor pueda realizar un trabajo útil haciendo girar una turbina de vapor, que en última instancia se utiliza para generar electricidad.

Reactor nuclear de fusión

En una reacción de fusión nuclear, dos núcleos atómicos se fuerzan entre sí y se combinan en un solo núcleo.La diferencia de masa antes y después de una reacción de fusión se convierte directamente en energía.La fusión nuclear alimenta nuestro Sol, dondecada segundo se produce un número casi incontable dereacciones de fusión nuclear. La diferencia de masa se irradia como energía.

La fusión nuclear puede crear cantidades inmensas de energía, varias veces superiores a la fisión. El combustible utilizado en la fusión es extremadamente abundante y barato, a diferencia de los elementos radiactivos más pesados utilizados en la fisión. Además, ninguno de los productos de la fusión es en sí radiactivo, por lo que una central de fusión nuclear sería una fuente de energía ecológica y renovable. Por último, un reactor de fusión nuclear sería incapaz de sufrir una fusión nuclear incluso con un error humano, por lo que serían mucho más seguros.

Es evidente, pues, que se puede extraer mucha energía mediante la fusión nuclear. Puede chocarte entonces que actualmente haya cero reactores de fusión nuclear en el mundo ¡para ayudarnos a generar nuestra electricidad! Para que se produzca la fusión es necesario superar la fuerza de repulsión entre dos núcleos atómicos cargados positivamente. Los dos núcleos deben estar lo suficientemente cerca como para que la fuerza nuclear sea lo suficientemente fuerte como para inducir la fusión nuclear. Para ello se necesita un entorno con una temperatura y una presión extremadamente altas, como el que se encuentra en el interior de una estrella.

La fuerza que repele dos núcleos cargados positivamente y que debe superarse para la fusión nuclear, Wikimedia Commons CC-BY-2.5

Por desgracia, la cantidad de energía necesaria para crear artificialmente este entorno requiere más energía para mantenerse que la que recibimos de la propia fusión. Los científicos y los ingenieros han avanzado constantemente en este problema durante las últimas décadas, pero actualmente los reactores de fusión nuclear sólo existen como tecnología experimental.

El avance de la fusión nuclear

La fusión nuclear resolvería muchos problemas que tiene actualmente la humanidad en relación con la producción de energía. A diferencia de la fisión nuclear, la fusión nuclear puede producir cantidades muy elevadas de energía sin producir subproductos radiactivos.

Sin embargo, la fisión nuclear es más fácil de conseguir. Se necesita poco esfuerzo para dividir átomos en comparación con las temperaturas y la presión necesarias para fusionar dos átomos, normalmente átomos de hidrógeno.

Por ello, hasta finales de 2022, los investigadores tenían que inyectar a los reactores nucleares más energía que la producida por una reacción de fusión nuclear. Sin embargo, en diciembre de 2022, en la Instalación Nacional de Ignición del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) de California, se logró un gran avance en la fusión nuclear: los investigadores obtuvieron más energía de la reacción de fusión que la que tuvieron que inyectar en el reactor.

Aunque se trata de un gran logro para la humanidad y el desarrollo de recursos energéticos más sostenibles, aún queda un largo camino por recorrer hasta que la fusión nuclear se convierta en un sistema de producción de energía viable.