Dentro del Reactor Nuclear

Por Ing. Álvaro Bermúdez (*)

La energía nuclear es la mayor productora de energía eléctrica sin  contaminación significativa ni gases de efecto invernadero emitidos a la atmósfera. Le brinda al Mundo un 17% de toda la electricidad producida cada año. En comparación, el segundo mayor productor sin emisiones es la energía hidroeléctrica (alrededor del 14%), seguido por viento y energía solar (sumados aproximadamente 2%).

Ya que nada es quemado en la generación de energía nuclear, no existen emisiones nocivas que sean expulsadas a la atmósfera. Las plantas nucleares carecen de los humos de salida que presentan a ojos vista las plantas de generación que queman combustibles fósiles. Algunas plantas de energía nuclear utilizan grandes torres de refrigeración para eliminar el exceso de calor del agua de enfriamiento antes de que se devuelva a las vías navegables. La descarga de estas torres es vapor de agua, no se trata de humo o material  radiactivo.

Una planta de energía nuclear produce electricidad en gran parte del mismo modo que otras plantas de energía eléctrica: se calienta el agua para producir vapor y el vapor permite que el eje de las turbinas  giren moviendo mecánicamente a un generador eléctrico produciendo así electricidad para toda la comunidad. La diferencia con una central generadora a combustible fósil consiste en cómo se calienta el agua en una planta de energía nuclear. La mayoría de las centrales hoy en día usan carbón, petróleo o gas natural para calentar el agua para convertirse en vapor. La energía nuclear proviene de un reactor donde los átomos se dividen para liberar su energía, que produce grandes cantidades de calor.

El diseño de un reactor nuclear es complejo, pero básicamente, cada reactor tiene seis elementos principales: combustible, barras de Control, refrigerante,  moderador, escudo  y  Reflector. Analicemos cada parte.

Combustible: El combustible es necesario en todos los procesos de producción de energía y constituye  el corazón del reactor. Para que el combustible produzca energía, debe entenderse que ocurre dentro del núcleo del reactor. En la mayoría de los reactores, el combustible se compone de pellets de dióxido de uranio enriquecido. Los pellets se ubican dentro de tubos metálicos de 4 metros de largo llamados "barras de combustible". Estas barras de combustible están juntas, o "atadas", para formar un “conjunto” de combustible. El proceso de preparación del combustible, el quemado del combustible y la eliminación de los residuos de combustible se llama el "ciclo de combustible". Un ciclo de combustible cerrado recicla el combustible desde la última etapa para su reutilización en el reactor. Un ciclo de combustible abierto no recicla el combustible.

Barras de control: las barras de control se ubican junto a los conjuntos de combustible para acelerar o desacelerar la velocidad de la reacción en cadena pues absorben algunos de los neutrones liberados en la fisión. Para acelerar la reacción en cadena, las barras de control se levantan de los conjuntos de combustible. Al contrario para ralentizar la reacción, se bajan las barras junto a los conjuntos de combustible. Muchas barras de control utilizan el elemento boro para absorber los neutrones.

Refrigerante: el proceso de enfriamiento de un reactor nuclear es similar al funcionamiento de un radiador de automóvil para enfriar el motor. Cada conjunto de combustible libera grandes cantidades de energía calórica debido al proceso de reacción en cadena por lo tanto se necesita un refrigerante, generalmente agua, que se bombea a través del reactor para desalojar el calor. En la mayoría de las centrales, sólo un tercio  de la energía producida por la planta nuclear se transforma en energía eléctrica, el resto del calor producido es perdido fuera de la planta en el agua refrigerante (que sigue siendo no contaminada por la radiactividad).

En grandes reactores, tanto como 1300 metros cúbicos de líquido refrigerante de agua fluyen por el núcleo del reactor cada minuto. El agua que sale del reactor es enviada a  torres de refrigeración o vertido en grandes masas de agua como estanques, lagos, ríos o un océano para su refrigeración.

Los refrigerantes tienen requerimientos muy específicos: no absorber neutrones, excelente resistencia a altas temperaturas y altos niveles de radiación, no corrosivo, alto punto de ebullición para evitar la evaporación dentro del reactor si se trata de líquidos y   distribuirse fácilmente por una bomba.

Moderador: cuando un neutrón causa la fisión, se liberan neutrones rápidos. Estos neutrones rápidos deben ser ralentizados para reducir los niveles de energía. A la inversa de lo intuitivo, los  neutrones tienen una mejor oportunidad de causar una fisión en un núcleo de un átomo  si se mueven mucho más lentamente que su velocidad inicial después de ser emitido por un núcleo fisionado. El material utilizado para frenar los neutrones rápidos se llama el "moderador". Los neutrones rápidos de gran movimiento chocan con el material moderador y este les reduce su velocidad sin absorberlos sólo cumple la función de frenarlos en su marcha.

Los moderadores están hechos de materiales diversos. El agua es un excelente moderador porque el agua también puede servir como un refrigerante. El agua normal, conocido como "agua ligera", se utiliza en la mayoría de los reactores, simplemente porque es barata y abundante. El único inconveniente de utilizar agua ligera es que el combustible del reactor debe ser “enriquecido” cuando el agua es el moderador. Otro material usado como moderador es "agua pesada", que es químicamente equivalente a agua normal, pero contiene hidrógeno- 2: también conocido como deuterio. El deuterio es un isótopo del hidrógeno cuyo núcleo contiene un neutrón y un protón y por lo tanto es dos veces más masivo que el hidrógeno- 1. Los neutrones producidos por fisión en los reactores no son absorbidos fácilmente en agua pesada, por lo que varios de ellos están disponibles para la una nueva fisión en el combustible. Debido a esto, "Reactores de agua pesada" pueden funcionar con combustible de uranio (natural) no enriquecido.

Escudo: como resultado de la fisión nuclear se liberan neutrones y varios otros subproductos como rayos alfa, rayos beta, rayos gamma. Es necesario contar con un  blindaje de radiación para evitar que esta radiación perjudicial proveniente del núcleo  del reactor afecte  a personas y materiales fuera del mismo.

Núcleos de reactor típicos requieren un revestimiento interno de acero que es casi de  medio metro de espesor. Incluso con ese espesor, el acero no es suficiente protección, por lo que se refuerza con unos metros de hormigón para hacerlo más seguro. Hormigón y acero son muy buenos en la absorción de la radiación, y son elementos de soporte para los equipos asociados.

Reflector de neutrones: los neutrones de movimiento rápido son frenados por un moderador y se colocan reflectores para mantenerlos físicamente dentro del núcleo del reactor para mantener una reacción en cadena controlada y sostenida.

En el proceso de fisión, un neutrón bala es absorbido por el núcleo de destino, que provoca la división del núcleo en dos, emitiendo calor y dos o tres neutrones más. Si todos los neutrones golpean otro núcleo, se produce una reacción en cadena. Pero algunos neutrones no chocan con otros núcleos y tienden a abandonar el reactor disminuyendo su eficiencia. Para reducir la pérdida de neutrones, la superficie interna del núcleo del reactor está rodeada de un material especial para reflejar estos neutrones que  escapan hacia afuera del núcleo del reactor. Este revestimiento es conocido como el "material reflector".

Se utilizan diversos materiales como material reflectante. Incluso algunos, como el agua ligera, el agua pesada y el carbono, pueden servir al doble propósito de reflector y moderador. Todos los materiales reflectantes deben tener baja absorción de neutrones, ser estable para soportar altos niveles de radiación y resistir la oxidación.

El reflector ayuda a hacer más eficiente al reactor porque reduce el consumo del material fisionable del núcleo del reactor y por lo tanto, el núcleo del reactor puede ser más  reducido para alcanzar la cantidad de energía necesaria.

El recipiente a presión que contiene todos los componentes del núcleo se llama  “la vasija del reactor”. La vasija del reactor contiene al refrigerante, proporciona un espacio para las barras y actúa como un amortiguador entre el núcleo y el medio ambiente fuera de la nave. El material utilizado para construir la vasija del reactor debe ser muy fuerte y resistente para que pueda soportar grandes presiones; se suele utilizar acero forjado comúnmente para la construcción de la vasija del reactor. La estructura alrededor del recipiente a presión se denomina "la contención". Protege al reactor de intrusiones externas y a las personas que trabajan dentro del edificio de los efectos de la radiación en caso de mal funcionamiento. La contención es típicamente una estructura de hormigón y acero de algunos metros de espesor.

Tipos de reactores nucleares

Los reactores nucleares más comunes en el mundo son los reactores de agua a presión (PWR)  y reactores de agua en ebullición (BWR). Ambos tipos son "reactores de primera generación", desarrollados en la década de 1950, que han mantenido el diseño pero con mejoras. Nuevos diseños de reactor son más avanzados y algunos están en operación. Los nuevos diseños se utilizarán para reemplazar los reactores de primera generación cuando lleguen al final de su vida operativa.

¿Cuál es la diferencia de los reactores PWR y BWR?

El reactor de agua presurizada es el más común de los tipos de reactores, reactores PWR, fueron diseñados como una planta de energía para submarinos. En el PWR, el agua se mantiene bajo presión para que caliente sin hervir. Se hacen pasar corrientes de agua refrigerante por el reactor en un circuito de refrigeración a través del núcleo del reactor a muy alta presión. Un circuito secundario produce vapor para impulsar la turbina. El agua que se transforma en vapor viaja en tuberías separadas y nunca se mezcla con el agua refrigerante. PWR utiliza agua ordinaria como refrigerante y moderador.

Un PWR típico tiene conjuntos de combustible de 200 a 300 barras que están dispuestas verticalmente en el núcleo. Los grandes reactores tienen alrededor de 150 a 250 conjuntos  de combustible.

Reactores de agua hirviente BWR tienen muchas similitudes con el PWR, excepto los flujos de agua que se encuentran confinados a un único circuito bajo una presión más baja. Realmente hierve el agua que se calienta por fisión, y 12 a 15 por ciento del agua en la parte superior del núcleo es de vapor; por lo tanto, el agua tiene un efecto moderador inferior. Un sistema de control secundario consiste en restringir el flujo de agua a través de la base para que el vapor en la parte superior reduzca su efecto de moderación.

El vapor pasa a través de placas secas (separadores de vapor) por encima del núcleo y luego directamente a través de un circuito de bucle cerrado hacia las turbinas. Como el  agua alrededor del núcleo de un reactor está siempre contaminada con trazas de radionucleidos, significa que la turbina debe ser protegida y proporcionar protección radiológica durante el mantenimiento. El costo de esta protección se equilibra con el ahorro obtenido por el diseño más sencillo de BWR. La mayor parte de la radioactividad en el agua es de muy corta vida, por lo que el personal puede introducirse en la sala de turbinas poco después de que el reactor haya sido apagado.

Una BWR tiene conjuntos de combustible de 90 a 100 barras de combustible cada uno y el núcleo de un reactor hasta 750 conjuntos.

Construcción de una planta de Energía Nuclear

Las estadísticas muestran que las centrales comerciales han operado con seguridad durante más de medio siglo. El éxito de las plantas de energía nuclear proviene de  aplicar los continuos avances de la tecnología para mejorar el buen funcionamiento y la seguridad de la planta. También es el resultado de la observancia estricta de licencias, creación de normas y reglamentos que rigen las operaciones de la planta.

Sólo puede construirse una planta de energía nuclear una vez que la Autoridad  Regulatoria Nuclear revisa los planes operativos y de construcción. Antes de expedir un permiso de construcción y operación de la licencia para una planta nuclear, el ARN  revisa cuidadosamente los aspectos técnicos del proyecto de plan para verificar:

·         La construcción y funcionamiento de la planta no presenta riesgos indebidos para la salud pública y seguridad;

·         El licenciamiento de la planta no será perjudicial para la defensa nacional ni su seguridad interna;

·         El personal está capacitado técnicamente para diseño, construcción y operación del servicio propuesto; y

·         El proyecto cumple con la ley de política ambiental nacional.

La licencia definitiva y la construcción de una planta de energía nuclear requiere una larga serie de licencias parciales y permisos de organismos gubernamentales locales, estatales o federales. Estos permisos y licencias se determinan de acuerdo a donde se encuentra la planta, si realmente es necesaria dicha potencia eléctrica y cómo se realizarán excavaciones y construcción. También aseguran la protección de la tierra, aire, agua y local vida vegetal y animal de la contaminación.

Las centrales nucleares son diseñadas y construidas para operar durante un mínimo de 40 años; los permisos podrán prorrogarse durante 20 años, después de rigurosos exámenes. Una vez que la planta comience a funcionar, más de 200 trabajadores gestionan su operación diaria y mantenimiento. Estos trabajadores son operadores y supervisores, grupos de mantenimiento mecánico, técnicos de instrumentación, electricistas, trabajadores civiles, expertos en protección radiológica llamada "físicos de la salud" y una guardia de seguridad.

Manejo de combustible

Todas las operaciones que implican materiales radioactivos, incluyendo centrales nucleares, hospitales y centros de investigación industrial crean residuos  radiactivos que deben ser manejados y eliminados de forma segura. Porque estos residuos varían desde ligeramente a intensamente radiactivos, son manejados de diferentes maneras dependiendo de su nivel de radiactividad, su forma y otros factores.

Los usuarios industriales que fabrican radiofármacos, alarmas de humo, señales de salida de emergencia, y otros bienes de consumo, producen residuos de bajo nivel, consistente en piezas de maquinaria, plásticos y disolventes orgánicos. La mayoría de estos residuos requiere poco o ningún blindaje, ni refrigeración y puede ser manejado por contacto directo. Aproximadamente la mitad de los residuos de bajo nivel total generado hoy proviene de centrales nucleares. Esto incluye resinas utilizados en procesos químicos de intercambio iónico, filtros y filtro de lodos, lubricantes, aceites y grasas, y detergente residuos de operaciones de lavado y descontaminación de equipo y personal. La mayoría de estos residuos es procesada y empaquetada para disposición en una instalación especialmente diseñada para estos residuos.

Una planta de energía nuclear unos 1000 megavatios normalmente contiene alrededor de 100 toneladas de combustible de uranio. Cada año, aproximadamente un tercio del combustible o aproximadamente 66 de sus paquetes de combustible, se quitan y son  reemplazados.

Las barras de combustible usadas de la planta, son físicamente similares a las barras de combustible fresco que se instalaron originalmente. La principal diferencia es que el combustible de uranio que lanzó su energía en el reactor crea productos de fisión radiactivos y otros radioisótopos de larga vida. Aunque representan sólo un pequeño porcentaje, siguen liberando radiación mucho después de que se extrae el combustible del reactor.

El combustible usado de las centrales nucleares se almacena a 12 metros de profundidad en piscinas de agua en el mismo emplazamiento del reactor. El agua enfría las barras de combustible para evitar que se sobrecalienten y sirve como un escudo para proteger a los trabajadores de la radiación. El nivel de radiación comienza a declinar inmediatamente, y dentro de los 10 años ha decaído cerca del 90 por ciento. Sin embargo, algunos productos de fisión siguen siendo radiactivos durante muchos años. Los residuos se envían por camión o ferrocarril a lugares especialmente diseñados para almacenar el material de manera segura. La ARN es responsable de la concesión de licencias y regulación de todos los usuarios comerciales y manejadores de materiales radiactivos, incluidos los residuos de cargadores y transportistas.

(*) Ingeniero. Ex director de Energía del gobierno del Dr. Jorge Batlle (2000-2005)