Capítulo 2. Para entender el proceso (para alumnos que no han tomado el curso de Física III) es necesario repasar algunos conceptos básicos:

Transcripción

1 Fuente Nuclear de Fisión Capítulo 2 La fisión nuclear y sus procesos asociados se conocen desde hace muchas décadas, siendo su desarrollo original como arma de destrucción masiva. Mucho tiempo después, y frente a un endurecimiento progresivo en el mercado de los combustibles tradicionales (derivados del petróleo), se comenzó a aplicar dicha fuente para la generación de energía eléctrica. Para entender el proceso (para alumnos que no han tomado el curso de Física III) es necesario repasar algunos conceptos básicos: Estructura del átomo; núcleo que concentra prácticamente la totalidad de la masa, formado por partículas elementales de masa y carga positiva unitarias (protones) y eventualmente partículas de masa unitaria y carga nula (neutrones), y una serie de niveles de energía ocupados por electrones con masas 84 veces menores que la de las otras partículas y carga eléctrica unitaria negativa, en cantidad suficiente para neutralizar las cargas de los protones, de forma que el átomo constituido sea eléctricamente neutro. Notación indicial: 9Th²³³ donde el número atómico es el subíndice y el peso atómico el superíndice. En el caso de las partículas subatómicas, el subíndice indica la masa y el superíndice con su signo, la carga correspondiente. Isótopo: elemento que tiene igual número atómico (posición en la Tabla Periódica) pero distinto peso atómico, es decir que se diferencia exclusivamente por el número de neutrones en el núcleo. En general, en los átomos de los menores números atómicos, coinciden el número de protones y de neutrones en el núcleo, es decir que la masa atómica crece proporcionalmente al número atómico, pero a partir de cierto valor, la masa crece más que proporcionalmente por un marcado aumento en el número de protones. Dicha asimetría puede crear inestabilidad en el núcleo hasta el punto de no poder mantener la cohesión, liberando energía (radiación γ), y partículas cargadas positivamente (partículas α) y negativas (partículas β) como en el caso de los elementos naturales radiactivos. Este proceso de desintegración nuclear radioactiva es entonces una transmutación, dado que varía el número atómico, es decir que el elemento resultante luego de una desintegración radioactiva no es el mismo que el original. La estabilidad del núcleo en función del tamaño puede entenderse con el siguiente análisis bidimensional: Frente a un sistema de cargas el agrupamiento menor es más consistente que el otro, que presenta dos posiciones de equilibrio en vez de una sola. Esto se puede Capítulo 2

2 comprobar asiendo firmemente tres barras cilíndricas (lápices) y luego agregar una cuarta y ejercer la misma presión. El origen de la energía que se libera en los procesos de fisión se puede entender mediante el análisis siguiente: Dado un átomo cualquiera, como se conoce su composición en cuanto a cantidad de protones, neutrones y electrones, y conocidas las masas de estos, debería ser posible calcular la masa de dicho átomo sumando las masas de sus componentes, y dicho resultado debería coincidir con la masa del átomo entero determinada por los mismos métodos experimentales con los que se determinaron las masas de las partículas elementales. Pero se tiene que Masa atómica determinada < masa atómica calculada o sea que Masa atómica calculada masa atómica determinada = Δ m ( defecto de masa ) cuyo valor energético es E = Δ m c² donde c es la velocidad de la luz, siendo la anterior la ecuación de Einstein de equivalencia entre masa y energía. Esa energía es entonces, la que se pondría en evidencia si se separara el átomo en todos sus componentes, y a su vez, nos chá el valor de la energía de formación del mismo átomo también a partir de todos sus componentes por separado. Para entender dónde chá a parar esa energía de formación, se debe tener en cuenta que en el núcleo atómico coexisten los protones a distancias infinitesimales con cargas eléctricas del mismo signo, por lo cual deberán existir fuerzas intensas y de corto alcance que contrarresten y equilibren las fuerzas de repulsión electrostática perfectamente calculables mediante la expresión de Coulomb: q q' F = 2 d donde por ser d infinitesimal por más que las cargas sean unitarias y pequeñas, el valor de la fuerza es enorme. Fisión nuclear: En principio, todos los átomos tienen núcleos fisionables, es decir, que se pueden romper en varios fragmentos, liberando una cantidad de energía considerablemente menor que la calculada anteriormente, además de la liberación de partículas elementales con alta energía cinética. Para ello es necesario interaccionar con el núcleo de forma de entregarle una determinada cantidad de energía suficiente como para que se rompa el equilibrio en que se encuentra, en este caso las fuerzas de repulsión de Culomb y las de cohesión de corto alcance. Es decir, como si fuera un resorte comprimido, sostenido por un suncho. Para interaccionar con un núcleo es necesario traspasar primero las distintas capas electrónicas, por lo cual se deberá recurrir a una partícula de masa suficiente y en lo posible, sin carga, como por ejemplo un neutrón. Pero por más que no tenga carga, ese neutrón necesita una determinada cantidad de energía, en este caso, energía cinética como para tener probabilidades de llegar a interaccionar con el núcleo. Capítulo 2 2

3 Para entender la relación entre la probabilidad de interacción y la energía cinética se puede recurrir a un ejemplo elemental. Imaginemos que a una cierta distancia tenemos un blanco de por ejemplo,5 m de lado, y que disponemos de un arma de fuego con balas con distintos tipos de carga. Si disparamos con las balas A, por tener muy poca carga, el proyectil no llega a cubrir la distancia entre el lugar de tiro, cayendo al piso antes. En este caso la probabilidad de acertar en el blanco es prácticamente nula; es decir, que a los efectos del tiro, es como si las dimensiones del blanco fueran infinitesimales. Este es el concepto de sección eficaz. Si cambiamos por las balas B, con un poco más de carga, de manera que el proyectil puede cubrir cómodamente la distancia al blanco, ello implica que las probabilidades de acertarle aumenten considerablemente, o lo que equivale, es como si las dimensiones del blanco adquirieran el tamaño más aproximado al real. Si cargamos las balas C, con carga normal, las probabilidades aumentan, de igual forma se puede considerar en cuanto a la sección eficaz del blanco. Inclusive, y hasta un cierto límite, si disponemos de otras balas tipo D, con carga aún mayor, como es el caso de los proyectiles de alta velocidad, por tener mayor energía cinética, la trayectoria es más recta para las mismas instancias, con lo que la precisión del tiro aumenta, y con ella las probabilidades de acertar en el blanco, es decir, es como si las dimensiones del mismo aumentaran aún más. Hasta aquí la analogía vale, porque no se puede seguir aumentando la energía cinética de los proyectiles y que las probabilidades aumenten de la misma forma, o lo que equivale, aumente la sección eficaz. Pero sirve para darnos una idea al respecto, en cuanto a que por debajo de una determinada energía, es como si a la partícula incidente no se le abriera ninguna ventana hacia el núcleo. A dicho valor de energía se lo conoce como energía umbral. Una vez abierta para el neutrón incidente la ventana de probabilidades hacia el núcleo, pueden ocurrir como siempre que colisiona un objeto con otro, tres tipos de choque: Choque elástico: la partícula rebota contra el núcleo, es decir, se refleja. Choque elastoplástico: La partícula al chocar cede parte de su energía al núcleo, es decir que se refracta. Choque plástico: la partícula es captada, queda incrustada en el núcleo, cediendo a éste la totalidad de su energía. Según sea el tipo de átomo con cuyo núcleo se quiera interaccionar a través de un neutrón, se pueden dar cualquiera de los tres tipos de choques, para neutrones con energías cinéticas comprendidas dentro de un determinado espectro. Dicho sea de paso, el espectro de energías de que se trata normalmente es el correspondiente al que tienen las partículas por agitación térmica a unos 7 C, por eso se le dice espectro térmico, equivalente a una velocidad del orden de los 2. km/h. Volviendo entonces al concepto de probabilidad de ocurrencia de un determinado fenómeno, podemos decir que para un flujo de neutrones con energías comprendidas dentro del espectro térmico, los distintos elementos tendrán núcleos que presenten una sección eficaz de reflexión, de refracción o de captación. Capítulo 2 3

4 Por lo general, si presenta una gran sección eficaz de reflexión, en esas mismas condiciones (energía tipo de elemento) las secciones eficaces de refracción y de captación son nulas o muy pequeñas, es decir que una sola es la preponderante. En ese caso diremos que los elementos que sometidos a un flujo neutrónico con energía comprendida dentro del espectro térmico tienen una gran sección eficaz de reflexión se conocen como elementos reflectores; si tienen gran sección eficaz de refracción, son elementos moderadores, y si su sección eficaz mayor es de captación, son elementos de control Puede darse el caso de elementos que teniendo gran sección eficaz de captación, tengan núcleos lo suficientemente inestables como para que una vez producida la captación, se rompa el núcleo en dos o más fracciones, con desprendimiento de parte de la energía de formación en forma de radiación electromagnética y uno o más neutrones que salen disparados con una energía mucho mayor que la de los incidentes (unos 2. km/seg), a los que se denominan neutrones instantáneos. En este caso diremos que el núcleo del átomo ha sido fisionado. En general, los núcleos de todos los átomos pueden llegar a ser fisionados, siempre y cuando se disponga de neutrones con la energía suficiente. Pero en la mayoría de los casos, dicha reacción será endoenergética, porque la energía que se obtenga será menos que la necesaria para producir esa fisión. ese es el caso de los átomos estables. Como se vio cuando se analizó la estructura atómica, existen una serie de átomos cuyos núcleos son muy grandes, con mayor número de neutrones que de protones, generalmente ese tipo de elementos tienen isótopos, alguno de los cuales tienen núcleos con una mayor inestabilidad aún, tal que requieren poca energía de los neutrones incidentes para producir reacciones de fisión. A esos elementos se le conoce como elementos fisionables, fisiles o fisibles, como el isótopo 235 del Uranio, el isótopo 233 del Thorio, y el isótopo 239 del Plutonio. De esos tres, el utilizado para sostener procesos energéticos industriales es el Uranio 235. Sometida entonces una muestra de tamaño suficiente (masa crítica) a un flujo de neutrones térmicos, en cada instante se pueden observar tres tipos de reacciones, cada una de ellas con un porcentaje de incidencia determinado, y que para simplificar anotaremos de la siguiente forma: U U n n A + B + C + D + 2n 235 ) 92U + n E + F + 3n + E3 n + E + E 2 X + Y + 2,5 n + E Capítulo 2 4

5 Esto significa que con las probabilidades de cada una de las reacciones, el proceso total resulta como el expresado en la ecuación resultante, donde la cantidad 2,5 es solamente estadística. Analizando con mayor detenimiento el proceso de fisión, se tiene que si uno de los neutrones instantáneos alcanza a otro núcleo del elemento presente en la red cristalina, como su energía es muchísima mayor, también lo es la probabilidad de captación y fisión consecuente. Y de igual forma para los neutrones instantáneos producidos en esa segunda generación de reacciones de fisión, por lo que se puede entender que esta segunda generación fue producida por la primera, o lo que equivale, que la reacción se auto sostiene en cadena. Si el número de neutrones instantáneos es igual o mayor a dos, y si existen en las proximidades suficientes núcleos, el número de fisiones irá creciendo con cada generación, es decir, que será una reacción en cadena divergente. Como la velocidad de los neutrones instantáneos es muchísimo mayor que la de los originalmente incidentes, cada una de las generaciones de reacciones de fisión se sucederá en un lapso sumamente corto, prácticamente nulo, por lo que la reacción recibe el nombre de en cadena, instantánea y divergente. Y si con cada reacción se libera energía, la liberación de la energía total disponible en al muestra de elemento fisionable se libera en este caso en forma instantánea, es decir, estamos en presencia del estallido nuclear. En este caso conviene efectuar el siguiente análisis: el ritmo de liberación de la energía en el caso citado se parece al caso del ritmo de liberación de energía en una reacción de combustión de un combustible, que puede ser prácticamente instantánea, o en forma regulada, útil a los fines específicos. Pero regular el ritmo de liberación de energía en una reacción en cadena, instantánea y divergente es bastante complicado, por lo que se deben hacer algunas consideraciones adicionales. Si llamamos grado de reacción al valor número de desintegraciones en el instante t i = número de desintegraciones en el instante t resulta evidente que i > indica una reacción divergente, mientras que i < indica reacción convergente. por lo que resulta claro que cualquier proceso de fisión que tenga interés tecnológico debe ser con i =. Para poder entonces obtener energía en forma utilizable a partir de reacciones de fisión nuclear, es necesario por de pronto, obtener el valor unitario del grado de reacción. Asimismo, dicho valor solamente indica que el proceso es estable, pero no da idea del ritmo de liberación de la energía, porque éste depende del valor del número de desintegraciones, por lo que además, se deberá controlar dicho número. Considerando que estas reacciones se realizan en el espacio y por medio de partículas de direcciones probabilísticas, resulta imprescindible previo a cualquier tipo de control de las reacciones, definir el sistema, es decir, confinar las reacciones. Para ese confinamiento se debe tener en cuenta que para un flujo de neutrones con energías dentro del espectro térmico, la mayoría de los elementos terrestres es Capítulo 2 5

6 transparente, por lo que habrá que encontrar un elemento cuyo núcleo tenga una gran sección eficaz de reflexión, es decir un elemento reflector, como por ejemplo, el Berilio. Una vez definido el sistema, se debe disminuir la energía de los neutrones instantáneos si se pretende que la liberación de energía no sea también instantánea. Para ello se recurre a ciertos elementos cuyos núcleos presentan una elevada sección eficaz de refracción para neutrones con energías dentro de ese valor, es decir, elementos moderadores, como por ejemplo el H2 como agua, el D2 como agua pesada y el Carbono como grafito. Entonces, con el sistema definido y los neutrones dentro del rango de energías en el espectro térmico, se debe regular directamente el número de fisiones en cada instante, y dicho número es directamente función de la densidad de flujo de los neutrones. Para controlar dicha densidad de flujo se requiere entonces disponer de otros elementos de gran sección eficaz de captación, los elementos de control, como el Boro, el Cadmio, el Hafnio y la mayoría de los elementos conocidos genéricamente como tierras raras. De esta forma, con los citados elementos además del elemento fisionable y un iniciador de la reacción podemos construir una pila atómica. Una vez entonces puesta en marcha la reacción, si las proporciones de los distintos elementos es la correcta, se puede llegar entonces al valor de i= y con un desprendimiento de energía en una magnitud compatible con los sistemas de generación habituales. Pero para ello es necesario extraer dicha energía que en forma de calor se produce en la pila, para lo cual se recurre a la circulación de un fluido refrigerante, que es el que se encarga de transportar el calor desde donde se produce hasta donde se lo utiliza. Este fluido puede ser líquido (agua o agua pesada), o gaseoso (habitualmente, dióxido de carbono). El elemento fisionable, el isótopo 235 del Uranio que es un metal, raramente se usa puro. Por lo general se lo utiliza como óxido o una sal, con la composición isotópica correspondiente al mineral natural (,7% de 235 en una matriz de 238), o con un ligero valor de enriquecimiento. Ese material, que es altamente tóxico químico y radiológico, se dispone en forma de pellets sinterizados dentro de cánulas, las que se agrupan en haces alrededor de una barra, conformando un elemento o barra de combustible. De igual forma se disponen los elementos de control. En cuanto al elemento moderador, se lo dispone en forma que los restantes elementos estén inmersos en él, sea sólido o líquido, con excepción del elemento reflector que sirve para confinar físicamente el sistema. Dada la actividad radioactiva dentro e la pila, es necesario impedir que las radiaciones se escapen, para lo cual se rodea al conjunto con una capa de distintos materiales opacos a las radiaciones en lo que se conoce como blindaje biológico. El resto del equipamiento consiste en el recipiente de presión o calandria y los dispositivos de sellos de los pasajes para los distintos tipos de barras y sus Capítulo 2 6

7 accionamientos correspondientes, al igual que el sistema robotizado de cambio y permutación de las barras de combustible. La disposición para los casos más comunes responde a los esquemas que se acompañan a continuación. Ing. Oscar Jaimovich Capítulo 2 7

8 Ing. Oscar Jaimovich Existen otras soluciones técnicas, como por ejemplo la de disponer el material fisionable disuelto en el medio moderador, todo ello en un recipiente donde se hacen bajar las barras de control, y extrayendo el calor simplemente haciendo pasar esa Capítulo 2 8

9 solución por intercambiadores de calor, configurando de esta manera lo que se conoce como reactores de tipo homogéneo. Este tipo de reactores es de muy baja potencia y se utilizan solamente para investigación y fabricación de sustancias para medicina. Seguridad: Existen en las plantas generadoras modernas muchos sistemas de seguridad para evitar accidentes radiológicos. Unos de los principales consisten en una serie de dispositivos que de una u otra forma detienen la reacción ante un problema determinado, como por ejemplo, dificultades en la disipación del calor. En algunos casos, una vez detenida la reacción el reactor puede volver a ponerse en marcha, en cambio cuando actúan otros sistemas (inundación con una solución de ácido bórico), queda inutilizado. En general, los sistemas de seguridad encarecen el costo de instalación del reactor, por lo que en algunos casos se obviaron algunos sistemas con consecuencias nefastas (caso Chernobyl). Asimismo, se debe contar con sistemas de seguridad para el manejo y disposición de los elementos combustibles agotados. Este último aspecto es uno de los factores que mayor incidencia tiene en los costos finales por kwh producido, pero a su vez, es el de mayor riesgo ambiental. Nota: El presente material se complementa con los conceptos que se aportan en las correspondientes clases teóricas. Capítulo 2 9