Actualmente se utilizan cuatro familias básicas para la generación de energía: moderada con grafito, CANDU, LWR y espectro rápido. La diferencia está en cómo controlan los neutrones.
Recuerde que cuando un átomo pesado absorbe un neutrón, puede dividirse en dos átomos más ligeros, liberando energía. Parte de esta energía se libera en forma de … más neutrones. Estos nuevos neutrones podrían dividir otros átomos y provocar una reacción en cadena. Pero generalmente son demasiado enérgicos para hacerlo. Los neutrones liberados por la fisión se mueven más rápido de lo que es ideal para causar más fisión. Es probable que vuelen a través del combustible y atraviesen las paredes del reactor. Es por eso que el combustible nuclear no puede soportar una reacción en cadena por sí mismo. Necesitamos algo en nuestro reactor que ralentice los neutrones. Tal material se llama “moderador”.
Los reactores moderados con grafito usan grafito (como en lápices) para hacer esto. El primer reactor artificial fue de este tipo. A veces se les llama “reactores de pila” porque era literalmente una pila de ladrillos de grafito y uranio.
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Los reactores británicos “magnox” están moderados con grafito, como se describe en el AGR en el artículo, y los reactores soviéticos RBMK que se hicieron famosos por el accidente de Chernobyl. Hoy en día, se utilizan alrededor de 15 reactores moderados con grafito en todo el mundo. No hay nuevos planeados.
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Los reactores CANDU usan agua pesada para moderar neutrones en lugar de grafito. El agua pesada es un moderador más eficiente, y esto significa que los reactores CANDU pueden ser más compactos. El inconveniente es que el agua pesada es muy rara: debe separarse del agua de mar, y este es un proceso que requiere mucha energía. Alrededor de 20 reactores CANDU están funcionando hoy, principalmente en Canadá.
LWR significa reactor de agua ligera. “Ligero” solo significa agua ordinaria, a diferencia del agua pesada utilizada en los diseños CANDU. Esto resuelve el problema de separación de agua, pero crea un problema de separación de uranio. El uranio natural que se encuentra en el suelo es de aproximadamente 1% de U235 y 99% de U238. Esta mezcla de isótopos puede mantener una reacción en cadena con grafito o agua pesada, pero no con agua normal. Por lo tanto, el combustible LWR debe “enriquecerse”: se elimina U238 hasta que la concentración de U235 alcance el 4%. El U238 rechazado es “uranio empobrecido” (empobrecido de U235).
Resulta que enriquecer uranio es más fácil que enriquecer el agua de mar, y el LWR, pionero de la Marina de los EE. UU., Es el tipo de reactor más popular en el mundo hoy en día. Hay dos variedades principales: BWR y PWR. B significa ebullición, P significa presurizado. En un PWR, el agua se mantiene a alta presión para que no pueda hervir. Los PWR son los más populares de los dos tipos, probablemente porque pueden generar un poco más de electricidad con la misma cantidad de combustible. Ambos tipos tienen una ventaja de seguridad importante sobre los reactores de grafito o CANDU: usan una sola sustancia como moderador y refrigerante. En un LWR, si la velocidad de reacción aumenta por alguna razón, el reactor se calienta y el agua se expande. Esto significa que hay menos moléculas de agua alrededor del combustible para moderar los neutrones, y eso hace que la velocidad de reacción disminuya nuevamente. Esta retroalimentación funciona como un sistema de control automático. Si toda el agua sale repentinamente del reactor, la reacción en cadena se detiene por sí sola. En los reactores de grafito y CANDU, una pérdida de agua de enfriamiento no significa una pérdida de moderador: su reactividad en realidad aumenta.
Los reactores de espectro rápido son interesantes porque no usan moderador en absoluto. Como su nombre lo indica, corren con neutrones rápidos. Para comenzar, necesitan grandes cantidades de combustible nuclear, enriquecido al 10% o más de U235 (o Pu239). El punto es transmutar el balance del combustible (U238) en Pu239 durante la operación. Esto se llama combustible de “mejoramiento” y, por lo tanto, estos reactores a menudo se denominan “mejoradores rápidos”. La idea es poder usar una porción mucho mayor del uranio natural que encontramos en el suelo. Si bien los LWR pueden transmutar algunos U238 en Pu239 y quemarlos, tienen una capacidad limitada para hacerlo.
Si pone gasolina en su automóvil y conduce hasta que se detenga, sabe que el tanque de gasolina está vacío y que se ha quemado toda la gasolina. Pero cuando un reactor nuclear se detiene, no todos los átomos pesados en su combustible necesariamente se han dividido. La porción que se ha dividido se llama “quema de combustible” del reactor. Los reactores de grafito, CANDU y LWR son capaces de quemar un porcentaje de su combustible aproximadamente igual al porcentaje de fisible (U235 o Pu239) en el combustible al inicio. Su “desperdicio” de combustible gastado puede reprocesarse (enriquecerse nuevamente) y quemarse nuevamente, pero este es un proceso costoso y desordenado. Se suponía que los reactores rápidos entregaban un consumo de combustible muy alto, pero han resultado difíciles de operar en la práctica. Estados Unidos, Francia y Rusia han construido centrales eléctricas alrededor de reactores rápidos, pero hoy solo Rusia los tiene en servicio.
Existen algunos otros tipos de reactores, conocidos colectivamente como reactores de investigación. Se usan en laboratorios y no tienen licencia para producir electricidad, por lo que no entraré en detalles aquí. Pero le recomiendo consultar con su universidad local para ver si tienen uno. UC Irvine, Reed College y NC State (entre otros) tienen reactores de investigación y ofrecen recorridos. ¡Estos recorridos pueden ser muy esclarecedores!
