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¿Qué son los reactores nucleares? neutrones se escapen del sistema y que otros sean absorbidos por núcleos que no se fisionan (a estos núcleos se les llama venenos porque tienden a “matar” la reacción, absorbiendo neutrones). En un reactor nuclear la reacción en cadena se mantiene a un nivel casi constante, y que por su diseño y calidad de su combustible no pueden explotar como bombas atómicas. La mayor parte de la energía liberada en la fisión (aproximadamente 85%) se libera en forma de calor en un tiempo muy corto, después de que el proceso ocurre. El resto de la energía proviene del decaimiento radiactivo de los productos de fisión, nombre que reciben los fragmentos una vez que se han frenado y comienzan a decaer. El decaimiento radiactivo continúa aun cuando la reacción en cadena se ha detenido, por lo que el diseño de un reactor debe tener en cuenta esta energía para poder manejarla adecuadamente. Generalmente los elementos combustibles tienen una reactividad mayor que cero, y a esta cantidad se le llama exceso de reactividad. Si el reactor consistiera únicamente de elementos combustibles sería supercrítico, pero ahí es donde entran en función las llamadas barras de control, que tienen una reactividad negativa. Estas barras de control se introducen al núcleo lo necesario para que el valor neto de reactividad sea cero, es decir, que el reactor 235 La fisión nuclear del U ha hecho posible la existencia de los reactores nucleares. Un reactor nuclear es una instalación en la cual se puede iniciar y controlar una serie de fisiones nucleares auto-sostenidas. Estos dispositivos son utilizados como herramientas de investigación, como sistemas para producir isótopos radiactivos y también como fuentes de energía. Estos últimos son comúnmente conocidos como reactores de potencia. Si todos los neutrones emitidos en las fisiones produjeran nuevas fisiones, es evidente que la reacción iría creciendo en forma descontrolada. A manera de ilustración, esto es lo que ocurre en la bomba atómica, en la cual la reacción no se controla y en unos instantes se libera una cantidad increíble de energía. Este incremento es muy rápido y produce una explosión extraordinariamente violenta y energética, característica de tales artefactos. Afortunadamente, es posible controlar la reacción, haciendo que, en promedio, sólo uno de los neutrones emitidos en cada fisión produzca otra fisión, y esto, a su vez, se logra dejando que cierta cantidad de Factor de multiplicación y reactividad Es muy conveniente definir el término llamado factor de multiplicación k, esto es, el número de neutrones en una generación (cada ciclo de la reacción en cadena) dividido entre el número de neutrones en la generación inmediata anterior. Claramente, si k = 1, la reacción será estable; o sea que el número de neutrones ni crece ni disminuye. Si k < 1, la reacción está disminuyendo, pues en cada generación hay menos neutrones; y si k > 1, la reacción está creciendo. Un reactor nuclear es un aparato en el cual se controla a voluntad una reacción de fisión en cadena. Cuando un reactor tiene k = 1, o sea que la reacción se mantiene estable, se dice que el reactor está crítico; cuando k < 1 nos referimos a un estado subcrítico y cuando k > 1, decimos que es supercrítico. Otro término muy usado en teoría de reactores es la reactividad (r), definida como: De esta expresión se puede deducir que cuando un reactor está crítico (o sea que k = 1) la reactividad es cero. En un reactor subcrítico (o sea k < 1), la reactividad es negativa y en uno en estado supercrítico, la reactividad es positiva. 7 Contacto Nuclear
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¿Qué son los reactores nucleares?
neutrones se escapen del sistema y que
otros sean absorbidos por núcleos que no
se fisionan (a estos núcleos se les llama
venenos porque tienden a “matar” la
reacción, absorbiendo neutrones).
En un reactor nuclear la reacción en
cadena se mantiene a un nivel casi
constante, y que por su diseño y calidad de
su combustible no pueden explotar como
bombas atómicas.
La mayor parte de la energía liberada en la
fisión (aproximadamente 85%) se libera en
forma de calor en un tiempo muy corto,
después de que el proceso ocurre. El resto
de la energía proviene del decaimiento
radiactivo de los productos de fisión,
nombre que reciben los fragmentos una
vez que se han frenado y comienzan a
decaer. El decaimiento radiactivo continúa
aun cuando la reacción en cadena se ha
detenido, por lo que el diseño de un reactor
debe tener en cuenta esta energía para
poder manejarla adecuadamente.
Generalmente los elementos combustibles
tienen una reactividad mayor que cero, y a
esta cantidad se le llama exceso de
reactividad. Si el reactor consistiera
únicamente de elementos combustibles
sería supercrítico, pero ahí es donde entran
en función las llamadas barras de control,
que tienen una reactividad negativa. Estas
barras de control se introducen al núcleo lo
necesario para que el valor neto de
reactividad sea cero, es decir, que el reactor
235La fisión nuclear del U ha hecho posible la existencia de los reactores nucleares.
Un reactor nuclear es una instalación en la cual se puede iniciar y controlar una
serie de fisiones nucleares auto-sostenidas. Estos dispositivos son utilizados como
herramientas de investigación, como sistemas para producir isótopos radiactivos y
también como fuentes de energía. Estos últimos son comúnmente conocidos como
reactores de potencia.
Si todos los neutrones emitidos en las fisiones produjeran nuevas fisiones, es
evidente que la reacción iría creciendo en forma descontrolada. A manera de
ilustración, esto es lo que ocurre en la bomba atómica, en la cual la reacción no se
controla y en unos instantes se libera una cantidad increíble de energía. Este
incremento es muy rápido y produce una explosión extraordinariamente violenta y
energética, característica de tales artefactos. Afortunadamente, es posible controlar
la reacción, haciendo que, en promedio, sólo uno de los neutrones emitidos en cada
fisión produzca otra fisión, y esto, a su vez, se logra dejando que cierta cantidad de
Factor de multiplicación y reactividad
Es muy conveniente definir el término llamado factor de multiplicación k, esto es, el
número de neutrones en una generación (cada ciclo de la reacción en cadena)
dividido entre el número de neutrones en la generación inmediata anterior.
Claramente, si k = 1, la reacción será estable; o sea que el número de neutrones ni
crece ni disminuye. Si k < 1, la reacción está disminuyendo, pues en cada generación
hay menos neutrones; y si k > 1, la reacción está creciendo.
Un reactor nuclear es un aparato en el cual se controla a voluntad una reacción de
fisión en cadena. Cuando un reactor tiene k = 1, o sea que la reacción se mantiene
estable, se dice que el reactor está crítico; cuando k < 1 nos referimos a un estado
subcrítico y cuando k > 1, decimos que es supercrítico.
Otro término muy usado en teoría de reactores es la reactividad (r), definida como:
De esta expresión se puede deducir que cuando un reactor está crítico (o sea que k =
1) la reactividad es cero. En un reactor subcrítico (o sea k < 1), la reactividad es
negativa y en uno en estado supercrítico, la reactividad es positiva.
de número atómico igual a 92 compuesto 235por 3 isótopos que son: el U con el
238 2340.7205%, el U con el 99.2739% y el U
con el 0.0056%. Este uranio no es
adecuado para su uso en reactores
enfriados y moderados con agua natural
debido a que este líquido, aunque absorbe
pocos neutrones, impide que la reacción de
fisión en cadena se mantenga auto-
sostenida. Para utilizar uranio natural en
un reactor se requiere un moderador que
absorba menos neutrones, como el agua
pesada y el grafito. Por esta razón se han
ideado varios métodos para incrementar el 235porcentaje de U, el isótopo idóneo para la
fisión, tal manera que se puedan fabricar
con él combustibles para reactores
enfriados y moderados con agua natural. El 235porcentaje de U en el combustible
n u c l e a r r e c i b e e l n o m b r e d e
enriquecimiento, término que se utiliza
sólo en los casos en que el porcentaje de 235U es mayor al natural.
El enriquecimiento del uranio es un
proceso complejo y son pocos los países
que tienen la capacidad técnica para
llevarlo a cabo. El uranio natural se extrae
del yacimiento en forma de óxido de uranio
(U O ), luego se procesa para convertirlo en 3 8
el gas hexafloruro de uranio (UF ). Para esta 6
conversión se disuelve el concentrado de
uranio en ácido nítrico, filtrando y
purificando la solución con solventes 235químicos. El UF se enriquece con el U.6
Dos técnicas que se han utilizado para
enriquecer el uranio son la difusión
Uranio natural
Membrana Porosa
Uranio enriquecido
Uranio empobrecido(colas)
Salida del UF enriquecido6
Salida de “colas”Entrada del UF6
Enriquecimiento por difusión gaseosa
Enriquecimiento por centrifugación gaseosa
238U
UF6
235U
gaseosa y la centrifugación gaseosa. La primera está basada en que las moléculas
ligeras atraviesan más rápidamente una membrana porosa. Si se repite esta
operación varias veces se logra enriquecer paulatinamente el gas con la molécula 235ligera ( U) hasta el nivel deseado. En la centrifugación gaseosa se pone a girar un
cilindro lleno de hexafloruro de uranio. Por la fuerza centrífuga, las moléculas 238 235pesadas ( U) se van a la periferia, mientras que las moléculas ligeras ( U) tienden
a desplazarse hacia el eje. El gas que queda al centro del cilindro estará 235ligeramente enriquecido en U. Al igual que en el caso anterior, debe repetirse la
acción varias veces para lograr el nivel de enriquecimiento que se requiera.
66 instituto nacional de investigaciones nucleares 77Contacto Nuclear
sea crítico. Si se quiere apagar el reactor, se
introducen más las barras de control, con lo
cual la reactividad llega a ser negativa y el
reactor -siendo subcrítico- comienza a
apagarse.
El hecho de que inicialmente el reactor
tenga un exceso de reactividad, tiene el
objeto de ir compensando la reactividad
negativa que se crea en todos los reactores
a causa de ciertos fenómenos como la
acumulación de venenos derivados de los
productos de la fisión, los aumentos de
temperatura del núcleo, así como la
pérdida de reactividad positiva provocada
por el consumo de combustible.
Remoción de calor en un reactor
La mayor parte de la energía liberada en la
fisión se deposita en el combustible y se
convierte rápidamente en calor, por lo que
se requiere de un refrigerante para
removerlo. El refrigerante más común es el
agua, aunque se puede utilizar otro fluido.
Tanto en los reactores de potencia, como en
los experimentales se han utilizado
diferentes fluidos como agua pesada
(óxido de deuterio), aire, dióxido de
carbono, helio, sodio líquido, aleaciones
sod io -po tas io , sa les fundidas e
hidrocarburos. Es importante señalar que
algunos reactores de investigación que son
operados a muy baja potencia no
necesitan un sistema de enfriamiento
esmerado, pues en estas unidades el calor
generado se remueve por conducción y
convección al ambiente. Por su parte, los
reactores de alta potencia deben tener un
sistema de enfriamiento extremadamente sofisticado para remover el calor de
manera inmediata y confiable, ya que de no hacerlo así el calor se acumularía
rápidamente en el combustible y lo fundiría.
Blindaje de un reactor
Un reactor nuclear en operación es una fuente muy intensa de radiación ionizante:
la fisión y el decaimiento radiactivo producen principalmente neutrones y radiación
gamma, que son radiaciones altamente penetrantes. Por lo tanto, un reactor debe
contar con blindajes a su alrededor, es decir, barreras especiales para atenuar estas
radiaciones y así proteger al personal. En reactores de investigación de tipo piscina,
el núcleo del reactor se sumerge en el agua de un tanque grande y profundo. En
otro tipo de reactores, el blindaje consiste en una estructura masiva de concreto a
su alrededor. En su composición, el blindaje puede contener metales pesados -
como el plomo o el acero- para mayor efectividad en la atenuación de la radiación
gamma; el concreto puede ser adicionado también con agregados pesados para el
mismo propósito.
Tipos de reactores nucleares
Aunque existen varios criterios, la principal clasificación de los reactores nucleares
se da de acuerdo con su finalidad, dividiéndolos en reactores de potencia y
reactores de investigación. Los reactores de potencia producen energía en forma
útil, convirtiendo el calor generado en el núcleo en alguna forma de trabajo
mecánico. A esta categoría pertenecen la mayoría de los reactores que existen en la
actualidad y que se utilizan en la generación comercial de electricidad. En los
reactores de investigación se aprovechan las radiaciones producidas como una
herramienta para investigar. Adicionalmente, en muchos países se utilizan los
reactores para impulsar submarinos y naves de superficie.
A continuación se mencionan brevemente algunas características de los tipos de
reactores nucleares
Reactores de potencia
Reactores de agua ligera. Este tipo de reactores se utiliza fundamentalmente como
una fuente de calor muy intensa para producir otro tipo de energía útil. Existen
varios tipos de reactores de potencia, siendo los más utilizados los llamados
reactores de agua ligera, nombre que reciben por ser enfriados y moderados con
este fluido. Estos reactores se clasifican, a su vez, en dos tipos: a) el reactor de agua
presurizada (PWR, por sus siglas en inglés) y b) el reactor de agua en ebullición
(BWR).
En el reactor de agua presurizada, el agua a alta temperatura y alta presión recibe y
remueve el calor del núcleo; luego se pasa a través de un generador de vapor
donde el calor se transfiere a un circuito de refrigeración secundario en el que el
agua se sobrecalienta y hierve. El vapor generado sirve como fluido de trabajo en
Vasija del reactor
Barras de Control
Turbina
Generador
Condensador
Red eléctrica
Consumo
Generación de electricidad en un reactor nuclear de potencia de la Central Laguna Verde
una turbina de vapor.
En el reactor de agua en ebullición, al agua
que pasa a través del núcleo se le permite
hervir a una presión intermedia de tal
manera que el vapor proveniente del
reactor se usa directamente en el ciclo de
potencia. Los dos reactores de la Central
Laguna Verde (CLV) son de tipo BWR y en
ellos el calor generado en el núcleo de los
reactores se utiliza para producir el vapor
de agua que mueve las turbinas que, a su
vez, mueven los generadores de energía
eléctrica. El funcionamiento de la CLV se
esquematiza en la figura de arriba. Los dos
reactores de la CLV están en operación
desde 1990 y 1995, respectivamente, y cada
uno de ellos genera 674.5 megawatts
eléctricos.
Reactores de alta temperatura enfriados
con gas (HTGR). En este caso, el
Los reactores tipo BWR de la Central Laguna Verde cuentan con dos contenedores: Uno primario (la vasija del reactor) y uno secundario (concreto)
88 instituto nacional de investigaciones nucleares 99Contacto Nuclear
sea crítico. Si se quiere apagar el reactor, se
introducen más las barras de control, con lo
cual la reactividad llega a ser negativa y el
reactor -siendo subcrítico- comienza a
apagarse.
El hecho de que inicialmente el reactor
tenga un exceso de reactividad, tiene el
objeto de ir compensando la reactividad
negativa que se crea en todos los reactores
a causa de ciertos fenómenos como la
acumulación de venenos derivados de los
productos de la fisión, los aumentos de
temperatura del núcleo, así como la
pérdida de reactividad positiva provocada
por el consumo de combustible.
Remoción de calor en un reactor
La mayor parte de la energía liberada en la
fisión se deposita en el combustible y se
convierte rápidamente en calor, por lo que
se requiere de un refrigerante para
removerlo. El refrigerante más común es el
agua, aunque se puede utilizar otro fluido.
Tanto en los reactores de potencia, como en
los experimentales se han utilizado
diferentes fluidos como agua pesada
(óxido de deuterio), aire, dióxido de
carbono, helio, sodio líquido, aleaciones
sod io -po tas io , sa les fundidas e
hidrocarburos. Es importante señalar que
algunos reactores de investigación que son
operados a muy baja potencia no
necesitan un sistema de enfriamiento
esmerado, pues en estas unidades el calor
generado se remueve por conducción y
convección al ambiente. Por su parte, los
reactores de alta potencia deben tener un
sistema de enfriamiento extremadamente sofisticado para remover el calor de
manera inmediata y confiable, ya que de no hacerlo así el calor se acumularía
rápidamente en el combustible y lo fundiría.
Blindaje de un reactor
Un reactor nuclear en operación es una fuente muy intensa de radiación ionizante:
la fisión y el decaimiento radiactivo producen principalmente neutrones y radiación
gamma, que son radiaciones altamente penetrantes. Por lo tanto, un reactor debe
contar con blindajes a su alrededor, es decir, barreras especiales para atenuar estas
radiaciones y así proteger al personal. En reactores de investigación de tipo piscina,
el núcleo del reactor se sumerge en el agua de un tanque grande y profundo. En
otro tipo de reactores, el blindaje consiste en una estructura masiva de concreto a
su alrededor. En su composición, el blindaje puede contener metales pesados -
como el plomo o el acero- para mayor efectividad en la atenuación de la radiación
gamma; el concreto puede ser adicionado también con agregados pesados para el
mismo propósito.
Tipos de reactores nucleares
Aunque existen varios criterios, la principal clasificación de los reactores nucleares
se da de acuerdo con su finalidad, dividiéndolos en reactores de potencia y
reactores de investigación. Los reactores de potencia producen energía en forma
útil, convirtiendo el calor generado en el núcleo en alguna forma de trabajo
mecánico. A esta categoría pertenecen la mayoría de los reactores que existen en la
actualidad y que se utilizan en la generación comercial de electricidad. En los
reactores de investigación se aprovechan las radiaciones producidas como una
herramienta para investigar. Adicionalmente, en muchos países se utilizan los
reactores para impulsar submarinos y naves de superficie.
A continuación se mencionan brevemente algunas características de los tipos de
reactores nucleares
Reactores de potencia
Reactores de agua ligera. Este tipo de reactores se utiliza fundamentalmente como
una fuente de calor muy intensa para producir otro tipo de energía útil. Existen
varios tipos de reactores de potencia, siendo los más utilizados los llamados
reactores de agua ligera, nombre que reciben por ser enfriados y moderados con
este fluido. Estos reactores se clasifican, a su vez, en dos tipos: a) el reactor de agua
presurizada (PWR, por sus siglas en inglés) y b) el reactor de agua en ebullición
(BWR).
En el reactor de agua presurizada, el agua a alta temperatura y alta presión recibe y
remueve el calor del núcleo; luego se pasa a través de un generador de vapor
donde el calor se transfiere a un circuito de refrigeración secundario en el que el
agua se sobrecalienta y hierve. El vapor generado sirve como fluido de trabajo en
Vasija del reactor
Barras de Control
Turbina
Generador
Condensador
Red eléctrica
Consumo
Generación de electricidad en un reactor nuclear de potencia de la Central Laguna Verde
una turbina de vapor.
En el reactor de agua en ebullición, al agua
que pasa a través del núcleo se le permite
hervir a una presión intermedia de tal
manera que el vapor proveniente del
reactor se usa directamente en el ciclo de
potencia. Los dos reactores de la Central
Laguna Verde (CLV) son de tipo BWR y en
ellos el calor generado en el núcleo de los
reactores se utiliza para producir el vapor
de agua que mueve las turbinas que, a su
vez, mueven los generadores de energía
eléctrica. El funcionamiento de la CLV se
esquematiza en la figura de arriba. Los dos
reactores de la CLV están en operación
desde 1990 y 1995, respectivamente, y cada
uno de ellos genera 674.5 megawatts
eléctricos.
Reactores de alta temperatura enfriados
con gas (HTGR). En este caso, el
Los reactores tipo BWR de la Central Laguna Verde cuentan con dos contenedores: Uno primario (la vasija del reactor) y uno secundario (concreto)
88 instituto nacional de investigaciones nucleares 99Contacto Nuclear
combustible es una mezcla de grafito y
uranio, lo que permite su operación a muy
alta temperatura, gracias a que la
temperatura de sublimación del grafito es
extremadamente alta y el helio que se
utiliza como refrigerante es químicamente
inerte.
Reactores de agua pesada. En este tipo de
reactor, del que el CANDU es el más
conocido, utiliza uranio natural como
combustible y se modera y enfría con agua
pesada.
Reactores de metal líquido. Son reactores
que operan con un flujo de neutrones
rápidos y tienen la capacidad de producir
material físil como nuevo combustible. Se
enfrían con sodio líquido.
Existe una gran variedad de reactores de
este tipo que han sido operados de manera
experimental. Algunos ejemplos incluyen a
los reactores enfriados y moderados con
líquido orgánico, los reactores moderados
con grafito y reactores de agua pesada en
vasijas a presión.
Reactores de propulsión
En la navegación marítima, la aplicación
más importante de la energía nuclear es la
propulsión de submarinos y naves de
superficie. A diferencia de los sistemas que
utilizan combustibles fósiles, un submarino
bombear agua a través del núcleo, sino
que ésta circula por convección natural,
aunque sí es necesario un intercambiador
de calor externo a la piscina, donde se
enfríe el agua caliente. A potencias
mayores de 2 MW se requiere enfriar el
núcleo por convección forzada. La mayoría
de estos reactores utilizan el agua de la
piscina como reflector, aunque algunos
tienen bloques sólidos alrededor del
núcleo que sirven como reflector interno.
Estos bloques de grafito o de berilio
metálico producen un aumento de
neutrones térmicos a corta distancia del
núcleo, lo que representa una gran ventaja
cuando se extraen haces térmicos de
neutrones o cuando estos neutrones se
utilizan para irradiar materiales.
Reactores TRIGA. Son una variedad de
reactores de investigación ampliamente
utilizada. Es un reactor de piscina enfriado
por agua, aunque en vez de tener placas,
nuclear no requiere aire para su operación. Por tanto, este tipo de naves puede
permanecer bajo el agua de manera indefinida, mientras que las de diesel deben
emerger periódicamente para abastecerse de aire. La propulsión nuclear también le
da a la navegación en superficie una ventaja estratégica, porque elimina su
dependencia de reabastecimiento de combustible como es el caso de buques-
tanque. El diseño de los reactores nucleares de estos navíos es confidencial y sólo
se conocen detalles generales.
Reactores de investigación
El propósito principal de los
reactores de investigación es
proporcionar una fuente muy
intensa de neutrones para
i n v e s t i g a c i ó n y o t r o s
propósitos. Sus haces de
neutrones pueden tener
características diferentes
dependiendo de su utilización. Estos
dispositivos son más pequeños y simples que los reactores de potencia y operan a
temperaturas más bajas. No obstante, el combustible que utilizan requiere un
mayor enriquecimiento del uranio-235, en la mayoría de los casos del 20%, aunque
algunos utilizan hasta un 93%. Tienen una alta densidad de potencia en el núcleo,
por lo que necesitan ser enfriados y requieren de un moderador para mejorar la
fisión. Debido a que su misión principal es la producción de neutrones, la mayoría
necesita un reflector para reducir la pérdida de neutrones del núcleo.
La variedad de reactores de investigación supera a los de potencia. Los más
comunes son:
Reactores de placas enfriados con
agua. Este tipo es el más común entre
los reactores de investigación. Operan
en un rango amplio de potencia, que
va desde algunos kilowatts hasta
cientos de megawatts; utilizan
ensambles de placas con uranio
enriquecido y se enfrían con agua. Entre estos reactores es común el diseño de
piscina, en los que el núcleo se posiciona en la parte baja de un tanque grande y
profundo, lleno de agua. Los reactores que operan a bajas potencias no requieren
Reactor TRIGA
Reactor de metal líquido
Submarino nuclear
Reactor HTGRBomba de
agua natural
Reactor HTGR
Reactor CANDU
Reactor de investigación en el Instituto de Isótopos, Budapest, Hungría
Reactor de placas enfriado con agua
1010 instituto nacional de investigaciones nucleares 1111Contacto Nuclear
combustible es una mezcla de grafito y
uranio, lo que permite su operación a muy
alta temperatura, gracias a que la
temperatura de sublimación del grafito es
extremadamente alta y el helio que se
utiliza como refrigerante es químicamente
inerte.
Reactores de agua pesada. En este tipo de
reactor, del que el CANDU es el más
conocido, utiliza uranio natural como
combustible y se modera y enfría con agua
pesada.
Reactores de metal líquido. Son reactores
que operan con un flujo de neutrones
rápidos y tienen la capacidad de producir
material físil como nuevo combustible. Se
enfrían con sodio líquido.
Existe una gran variedad de reactores de
este tipo que han sido operados de manera
experimental. Algunos ejemplos incluyen a
los reactores enfriados y moderados con
líquido orgánico, los reactores moderados
con grafito y reactores de agua pesada en
vasijas a presión.
Reactores de propulsión
En la navegación marítima, la aplicación
más importante de la energía nuclear es la
propulsión de submarinos y naves de
superficie. A diferencia de los sistemas que
utilizan combustibles fósiles, un submarino
bombear agua a través del núcleo, sino
que ésta circula por convección natural,
aunque sí es necesario un intercambiador
de calor externo a la piscina, donde se
enfríe el agua caliente. A potencias
mayores de 2 MW se requiere enfriar el
núcleo por convección forzada. La mayoría
de estos reactores utilizan el agua de la
piscina como reflector, aunque algunos
tienen bloques sólidos alrededor del
núcleo que sirven como reflector interno.
Estos bloques de grafito o de berilio
metálico producen un aumento de
neutrones térmicos a corta distancia del
núcleo, lo que representa una gran ventaja
cuando se extraen haces térmicos de
neutrones o cuando estos neutrones se
utilizan para irradiar materiales.
Reactores TRIGA. Son una variedad de
reactores de investigación ampliamente
utilizada. Es un reactor de piscina enfriado
por agua, aunque en vez de tener placas,
nuclear no requiere aire para su operación. Por tanto, este tipo de naves puede
permanecer bajo el agua de manera indefinida, mientras que las de diesel deben
emerger periódicamente para abastecerse de aire. La propulsión nuclear también le
da a la navegación en superficie una ventaja estratégica, porque elimina su
dependencia de reabastecimiento de combustible como es el caso de buques-
tanque. El diseño de los reactores nucleares de estos navíos es confidencial y sólo
se conocen detalles generales.
Reactores de investigación
El propósito principal de los
reactores de investigación es
proporcionar una fuente muy
intensa de neutrones para
i n v e s t i g a c i ó n y o t r o s
propósitos. Sus haces de
neutrones pueden tener
características diferentes
dependiendo de su utilización. Estos
dispositivos son más pequeños y simples que los reactores de potencia y operan a
temperaturas más bajas. No obstante, el combustible que utilizan requiere un
mayor enriquecimiento del uranio-235, en la mayoría de los casos del 20%, aunque
algunos utilizan hasta un 93%. Tienen una alta densidad de potencia en el núcleo,
por lo que necesitan ser enfriados y requieren de un moderador para mejorar la
fisión. Debido a que su misión principal es la producción de neutrones, la mayoría
necesita un reflector para reducir la pérdida de neutrones del núcleo.
La variedad de reactores de investigación supera a los de potencia. Los más
comunes son:
Reactores de placas enfriados con
agua. Este tipo es el más común entre
los reactores de investigación. Operan
en un rango amplio de potencia, que
va desde algunos kilowatts hasta
cientos de megawatts; utilizan
ensambles de placas con uranio
enriquecido y se enfrían con agua. Entre estos reactores es común el diseño de
piscina, en los que el núcleo se posiciona en la parte baja de un tanque grande y
profundo, lleno de agua. Los reactores que operan a bajas potencias no requieren
Reactor TRIGA
Reactor de metal líquido
Submarino nuclear
Reactor HTGRBomba de
agua natural
Reactor HTGR
Reactor CANDU
Reactor de investigación en el Instituto de Isótopos, Budapest, Hungría
Reactor de placas enfriado con agua
1010 instituto nacional de investigaciones nucleares 1111Contacto Nuclear
su combustible consiste en barras
cilíndricas de una mezcla de uranio e
hidruro de circonio con encamisados de
aluminio o acero inoxidable. Una de sus
ventajas fundamentales es que el
combustible tiene un coeficiente de
reactividad negativo, lo que le permite
volverse altamente supercrítico por un
instante y elevar su potencia rápidamente.
Después de esto y por el rápido aumento de
la temperatura del combustible, se apaga
automáticamente. El pulso de potencia
resultante, muy útil en experimentos de
comportamiento dinámico, no representa
ningún problema ya que el paro
automático se da muy rápidamente y la
energía liberada es proporcional al pico de
potencia y a la duración del pulso. Entre los
modelos de los TRIGA están el Mark I (cuyo
tanque está ubicado bajo tierra), los Mark II
(tanque elevado con tubos de haces) y
Mark III (piscina también elevada y con
tubos de haces, dentro de una piscina
alargada y con núcleo móvil).
Otros reactores de investigación. Existe una
gran var iedad de reac to res de
investigación, por lo que es difícil
clasificarlos. Los ha habido homogéneos
(núcleos con combustibles en solución),
rápidos, moderados con grafito, con agua
pesada o con berilio, también los que se
han adaptado para utilizar el combustible
gastado de reactores de potencia
experimentales. El diseño ha respondido a
una gran variedad de demandas
especiales de investigación.
llama radioisótopos. Los radioisótopos tienen propiedades que los hacen útiles
para la investigación y para las aplicaciones, de las cuales a continuación, se
mencionan algunas:
i Producción de materiales radiactivos para medicina (diagnóstico y
tratamiento de pacientes con medicina nuclear); aplicaciones industriales
(mediciones de espesores en papel, láminas metálicas, carpeta asfáltica,
humedad en cemento o pulpa de papel; control del nivel de llenado de
envases líquidos, por ejemplo, refrescos); como trazadores (localización de
fugas de gas natural, ubicación de obstrucciones o fugas en tuberías,
medición de flujos en líquidos y gases, medición de procesos en refinerías,
medición de procesos de separación química).
i Análisis de muestras induciéndoles radiactividad (análisis por activación
neutrónica).
i Transmutación de materiales, tales como dopado de silicio para su uso en
componentes electrónicos.
Trabajos con haces de neutrones
Los haces de neutrones provenientes del reactor se pueden utilizar para obtener
imágenes por medio de radiografías con neutrones o tomografías con neutrones;
(por ejemplo, para verificar la integridad de componentes de aeronaves). Los haces
pueden también utilizarse con fines de investigación, por ejemplo, para difracción
de neutrones para el estudio de la estructura y dinámica de los materiales a nivel
atómico; estudio de la materia condensada; y estudios de dispersión elástica e
Aplicaciones de los reactores de investigación
Las aplicaciones de los reactores de investigación se pueden agrupar en cuatro
amplias categorías: desarrollo de recursos humanos; irradiación de muestras;
trabajos con haces de neutrones; y prueba de materiales.
Desarrollo de recursos humanos
En este rubro encontramos actividades como: capacitación y entrenamiento de
personal, visitas por parte de estudiantes, docentes, profesionistas y del público en
general, difusión de la energía nuclear y de sus aplicaciones, lo que contribuye a
lograr su mejor comprensión y aceptación y prácticas en el reactor que favorecen la
formación de estudiantes de Protección Radiológica, Física de Reactores, Materiales
y Biología, entre otras carreras y cursos.
Procesos de irradiación de muestras
Como se ha mencionado, durante la fisión nuclear se liberan neutrones y aunque
una fracción de éstos produce más fisiones, son absorbidos por otros materiales,
como lo son las muestras que se desea estudiar. Es importante mencionar que
muchos materiales se vuelven radiactivos cuando absorben neutrones y se les
Medición de flujo en ductosMedición de flujo en ductos
Distancia
Punto deinyección
Estación de detección 1
Pulso inyectado
Estación de detección 2
Pulso estación 1 Pulso estación 2
Tiempo tdto
inelástica.
Pruebas de materiales
Adicionalmente se puede mencionar la
prueba de materiales y de nuevos
combustibles, aunque para este tipo de
pruebas se necesitan reactores de muy alto
flujo de neutrones e instalaciones muy
especializadas.
Reactores de investigación en
América Latina
Argentina, Brasil, Chile, México y Perú
cuentan con reactores de investigación
tipo piscina con potencia mínima de 1 MW.
En 2005, con el apoyo técnico del ININ,
Colombia puso en operación un reactor
con una potencia de 30 KW. Las
aplicaciones de estos reactores son muy
variadas y, de acuerdo con las necesidades
regionales, tienen impacto en áreas como
medio ambiente, agricultura, industria,
hidrología, minería, investigación científica
y desarrollo tecnológico, y docencia y
formación de recursos humanos. No
obstante, la principal orientación de los
isótopos radiactivos producidos en los
reactores de investigación en América
Latina es el tratamiento y diagnóstico de
padecimientos por medio de medicina
nuclear. Estas aplicaciones comprenden
d i a g n ó s t i c o p o r i m á g e n e s ,
radioinmunoanálisis (RIA), tratamiento de
tumores, tratamientos paliativos del dolor
en enfermos con metástasis ósea,
radiosinovectomía, braquiterapia, y terapia
en cáncer tiroideo y enfermedad de
Basedow.
GammagrafíaGammagrafía
Medición de pesoMedición de peso
Medición de espesorMedición de espesor
Medición de nivelMedición de nivel
1212 instituto nacional de investigaciones nucleares Contacto Nuclear 1313
su combustible consiste en barras
cilíndricas de una mezcla de uranio e
hidruro de circonio con encamisados de
aluminio o acero inoxidable. Una de sus
ventajas fundamentales es que el
combustible tiene un coeficiente de
reactividad negativo, lo que le permite
volverse altamente supercrítico por un
instante y elevar su potencia rápidamente.
Después de esto y por el rápido aumento de
la temperatura del combustible, se apaga
automáticamente. El pulso de potencia
resultante, muy útil en experimentos de
comportamiento dinámico, no representa
ningún problema ya que el paro
automático se da muy rápidamente y la
energía liberada es proporcional al pico de
potencia y a la duración del pulso. Entre los
modelos de los TRIGA están el Mark I (cuyo
tanque está ubicado bajo tierra), los Mark II
(tanque elevado con tubos de haces) y
Mark III (piscina también elevada y con
tubos de haces, dentro de una piscina
alargada y con núcleo móvil).
Otros reactores de investigación. Existe una
gran var iedad de reac to res de
investigación, por lo que es difícil
clasificarlos. Los ha habido homogéneos
(núcleos con combustibles en solución),
rápidos, moderados con grafito, con agua
pesada o con berilio, también los que se
han adaptado para utilizar el combustible
gastado de reactores de potencia
experimentales. El diseño ha respondido a
una gran variedad de demandas
especiales de investigación.
llama radioisótopos. Los radioisótopos tienen propiedades que los hacen útiles
para la investigación y para las aplicaciones, de las cuales a continuación, se
mencionan algunas:
i Producción de materiales radiactivos para medicina (diagnóstico y
tratamiento de pacientes con medicina nuclear); aplicaciones industriales
(mediciones de espesores en papel, láminas metálicas, carpeta asfáltica,
humedad en cemento o pulpa de papel; control del nivel de llenado de
envases líquidos, por ejemplo, refrescos); como trazadores (localización de
fugas de gas natural, ubicación de obstrucciones o fugas en tuberías,
medición de flujos en líquidos y gases, medición de procesos en refinerías,
medición de procesos de separación química).
i Análisis de muestras induciéndoles radiactividad (análisis por activación
neutrónica).
i Transmutación de materiales, tales como dopado de silicio para su uso en
componentes electrónicos.
Trabajos con haces de neutrones
Los haces de neutrones provenientes del reactor se pueden utilizar para obtener
imágenes por medio de radiografías con neutrones o tomografías con neutrones;
(por ejemplo, para verificar la integridad de componentes de aeronaves). Los haces
pueden también utilizarse con fines de investigación, por ejemplo, para difracción
de neutrones para el estudio de la estructura y dinámica de los materiales a nivel
atómico; estudio de la materia condensada; y estudios de dispersión elástica e
Aplicaciones de los reactores de investigación
Las aplicaciones de los reactores de investigación se pueden agrupar en cuatro
amplias categorías: desarrollo de recursos humanos; irradiación de muestras;
trabajos con haces de neutrones; y prueba de materiales.
Desarrollo de recursos humanos
En este rubro encontramos actividades como: capacitación y entrenamiento de
personal, visitas por parte de estudiantes, docentes, profesionistas y del público en
general, difusión de la energía nuclear y de sus aplicaciones, lo que contribuye a
lograr su mejor comprensión y aceptación y prácticas en el reactor que favorecen la
formación de estudiantes de Protección Radiológica, Física de Reactores, Materiales
y Biología, entre otras carreras y cursos.
Procesos de irradiación de muestras
Como se ha mencionado, durante la fisión nuclear se liberan neutrones y aunque
una fracción de éstos produce más fisiones, son absorbidos por otros materiales,
como lo son las muestras que se desea estudiar. Es importante mencionar que
muchos materiales se vuelven radiactivos cuando absorben neutrones y se les
Medición de flujo en ductosMedición de flujo en ductos
Distancia
Punto deinyección
Estación de detección 1
Pulso inyectado
Estación de detección 2
Pulso estación 1 Pulso estación 2
Tiempo tdto
inelástica.
Pruebas de materiales
Adicionalmente se puede mencionar la
prueba de materiales y de nuevos
combustibles, aunque para este tipo de
pruebas se necesitan reactores de muy alto
flujo de neutrones e instalaciones muy
especializadas.
Reactores de investigación en
América Latina
Argentina, Brasil, Chile, México y Perú
cuentan con reactores de investigación
tipo piscina con potencia mínima de 1 MW.
En 2005, con el apoyo técnico del ININ,
Colombia puso en operación un reactor
con una potencia de 30 KW. Las
aplicaciones de estos reactores son muy
variadas y, de acuerdo con las necesidades
regionales, tienen impacto en áreas como
medio ambiente, agricultura, industria,
hidrología, minería, investigación científica
y desarrollo tecnológico, y docencia y
formación de recursos humanos. No
obstante, la principal orientación de los
isótopos radiactivos producidos en los
reactores de investigación en América
Latina es el tratamiento y diagnóstico de
padecimientos por medio de medicina
nuclear. Estas aplicaciones comprenden
d i a g n ó s t i c o p o r i m á g e n e s ,
radioinmunoanálisis (RIA), tratamiento de
tumores, tratamientos paliativos del dolor
en enfermos con metástasis ósea,
radiosinovectomía, braquiterapia, y terapia
en cáncer tiroideo y enfermedad de
Basedow.
GammagrafíaGammagrafía
Medición de pesoMedición de peso
Medición de espesorMedición de espesor
Medición de nivelMedición de nivel
1212 instituto nacional de investigaciones nucleares Contacto Nuclear 1313
