Combustible nuclear para niños
El combustible nuclear es un material especial que se usa para producir energía nuclear. Piensa en él como la "gasolina" de las centrales nucleares.
Este combustible puede ser el material en sí mismo (como el uranio) o un conjunto de piezas ya preparadas, como barras que contienen el material.
El método más común para obtener energía nuclear es la fisión nuclear. En este proceso, los átomos de un material se dividen, liberando mucha energía. El combustible nuclear más usado para esto es el uranio. Dentro de los reactores nucleares de las centrales nucleares, el uranio genera reacciones en cadena controladas. El tipo de uranio más común para la fisión es el 235U.
Todo el proceso, desde extraer el uranio de la tierra hasta usarlo y tratar sus residuos, se llama el ciclo del combustible nuclear.
Otro proceso nuclear que se investiga es la fusión. Aquí, en lugar de dividir átomos, se unen átomos ligeros como el tritio y el deuterio para liberar energía.
También se usan otros elementos, como el 239Pu, para generar pequeñas cantidades de energía. Esto se hace a través de un proceso llamado desintegración radiactiva en dispositivos como los generadores termoeléctricos de radioisótopos o las pilas atómicas.
Contenido
- ¿Cómo se fabrica el combustible nuclear?
- Tipos de combustibles para reactores de fisión
- Combustibles para reactores de fusión
- Combustibles basados en la desintegración de radioisótopos
- Comportamiento del combustible en un reactor nuclear de fisión
- Véase también
¿Cómo se fabrica el combustible nuclear?
El combustible que usan la mayoría de los reactores nucleares se hace a partir de uranio natural. El uranio que se encuentra en la naturaleza tiene tres tipos principales: uranio-238 (238U), uranio-235 (235U) y uranio-234 (234U). La mayor parte es 238U (99.28%), y solo una pequeña parte es 235U (0.71%).
Los reactores obtienen energía de la división de los átomos de 235U y de otras reacciones, como la división del 239Pu que se forma a partir del 238U.
Para que estos reactores funcionen, la cantidad de 235U debe aumentar del 0.71% natural a entre un 2% y un 5%. Este proceso se llama enriquecimiento de uranio.
Para convertir el uranio de su forma mineral en el combustible que va al reactor, se siguen varios pasos:
- Primero, se extrae el uranio de la tierra, se tritura y se procesa para obtener una sustancia llamada "torta amarilla" (yellow cake).
- Luego, la torta amarilla se puede convertir en un gas llamado UF6 para enriquecerlo en 235U. Después, se vuelve a convertir en óxido de uranio. Algunos tipos de combustible, como el de los reactores CANDU, no necesitan este paso de enriquecimiento.
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1 Mineral de uranio – la materia prima principal.
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2 Torta amarilla – así se transporta el uranio para el enriquecimiento.
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3 UF6 – se usa para el enriquecimiento.
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4 Combustible nuclear – sólido y listo para usar.
Tipos de combustibles para reactores de fisión
Combustibles de óxidos
Dióxido de Uranio (UO2)
Este es el combustible más usado en la mayoría de los reactores. El dióxido de uranio es un material cerámico sólido de color negro. Como es cerámico, no conduce bien el calor, lo que hace que el centro de las pastillas de combustible se caliente mucho dentro del reactor.
La forma en que el calor se mueve en el combustible depende de qué tan poroso sea y de cuánto tiempo haya estado en uso. La fisión crea otros elementos que cambian el combustible. Algunos se quedan disueltos, otros forman burbujas de gas. El combustible también se ve afectado por la radiación y los cambios de temperatura.
El dióxido de uranio se fabrica a partir de nitrato de uranio, que se convierte en un polvo y luego se prensa en pequeñas pastillas (llamadas pellets). Estas pastillas se hornean a temperaturas muy altas para que se vuelvan sólidas y poco porosas.
Óxidos mixtos (MOX)
El combustible MOX es una mezcla de plutonio y uranio natural o empobrecido. Se comporta de manera similar al uranio enriquecido y es una alternativa para los reactores.
El MOX también ayuda a usar el plutonio que sobra de otras centrales nucleares. Actualmente, el reprocesamiento de combustible para obtener MOX se hace en países como Inglaterra y Francia.
Combustibles para reactores de investigación
Los reactores de investigación son más pequeños que los de las centrales eléctricas. Se usan en universidades e institutos para estudiar materiales, producir radioisótopos para la medicina nuclear, y entrenar personal.
Estos reactores usan uranio enriquecido entre un 12% y un 19.75% de 235U. Algunos usan combustible en forma de placas de aluminio con uranio dentro. Otros, como los reactores TRIGA, usan barras de combustible hechas de una mezcla de hidruro de uranio-zirconio.
Combustibles líquidos
Sales fundidas
En algunos reactores experimentales, el combustible se disuelve en un líquido refrigerante, como sales fundidas. Este tipo de combustible puede soportar temperaturas muy altas.
Soluciones acuosas de sales de uranio
El reactor homogéneo acuoso usa una solución de sales de uranio en agua. Este tipo de reactor no se ha usado mucho en grandes centrales eléctricas.
Nitruro de uranio
Este combustible es una opción para diseños de reactores espaciales, como los de la NASA, porque conduce bien el calor y tiene un punto de fusión muy alto.
Carburo de uranio
Otro combustible propuesto que también tiene una buena conductividad térmica.
Formas comunes del combustible nuclear
Para usar el uranio enriquecido en un reactor, se convierte en polvo de dióxido de uranio (UO2). Este polvo se prensa y se hornea para formar pequeños cilindros cerámicos llamados pellets.
Luego, los pellets se meten en tubos metálicos resistentes a la corrosión, llamados vainas combustibles. Estos tubos se sellan, y cada uno con sus pellets se llama barra combustible. Varias barras combustibles se agrupan para formar un haz o elemento combustible. Un reactor puede tener cientos de estos haces.
El metal de las vainas suele ser una aleación de zirconio. Los haces de combustible tienen un número de identificación para saber su origen y recorrido.
Combustible para reactores PWR
En los reactores de agua presurizada (PWR), el combustible está en barras cilíndricas dentro de haces. Los pellets de óxido de uranio se insertan en tubos de Zircaloy, que miden alrededor de 1 cm de diámetro. Cada elemento combustible tiene entre 179 y 264 barras, y un reactor puede tener de 120 a 200 elementos.
Las barras de control, que sirven para detener o iniciar la reacción nuclear, se insertan en estos elementos. El óxido de uranio se seca antes de usarse para evitar problemas de corrosión.
Combustible para reactores BWR
En los reactores de agua en ebullición (BWR), el combustible es similar al de los PWR, pero los haces de barras están dentro de un tubo metálico cuadrado. Esto ayuda a controlar cómo se distribuye el calor y el vapor dentro del reactor. Cada haz de BWR tiene entre 500 y 800 barras combustibles.
Combustible para reactores CANDU
Los haces de combustible para reactores CANDU miden aproximadamente medio metro de largo y 10 cm de diámetro. Están hechos de tubos de zirconio con pellets de dióxido de uranio. Cada haz pesa unos 20 kg, y un reactor puede contener alrededor de 4500 haces.
Los reactores CANDU no necesitan uranio enriquecido para funcionar, gracias a su eficiente moderador de neutrones de agua pesada.
Otros tipos de combustible nuclear
Existen otros tipos de combustible para usos específicos, como en reactores de investigación o aplicaciones militares.
Combustible compacto TRISO
Los combustibles TRISO se desarrollaron para reactores de alta temperatura. En ellos, el carburo de uranio está cubierto por varias capas para retener los productos de la fisión a altas temperaturas. Se usan en reactores experimentales en China y Japón.
Combustible CerMet
El combustible CerMet está hecho de partículas cerámicas (generalmente óxido de uranio) dentro de una matriz metálica. Se cree que se usa en reactores de portaaviones y submarinos nucleares, ya que transfiere bien el calor y soporta la expansión.
Combustible tipo placa
Este tipo de combustible se usa en el Reactor de Pruebas Avanzado en el Laboratorio Nacional de Idaho.
Combustible de óxido usado
El combustible de óxido usado es una mezcla compleja de lo que queda después de la fisión, uranio, plutonio y otros metales. Aunque puede agrietarse, es muy poco soluble en agua y puede retener la mayoría de los elementos radiactivos dentro del dióxido de uranio.
Combustibles para reactores de fusión
Aunque los reactores de fusión aún están en desarrollo, los principales combustibles que se usarían son el tritio (³H) y el deuterio (²H). También se podría usar helio-3 (³He). El proyecto ITER es un esfuerzo internacional para investigar la fusión.
Combustible de fusión de primera generación
El deuterio y el tritio son los combustibles de primera generación. Hay varias reacciones en las que pueden unirse para liberar energía.
Combustible de fusión de segunda generación
Estos combustibles requieren temperaturas más altas o tiempos de confinamiento más largos. Incluyen el deuterio y el helio-3.
Combustible de fusión de tercera generación
Estos combustibles son el objetivo final de la investigación de la fusión, ya que producirían solo partículas cargadas y no generarían radiactividad en el reactor. El helio-3 es el más probable de usar primero.
Combustibles basados en la desintegración de radioisótopos
Pila de radioisótopos
Las pilas atómicas o pilas de radioisótopos son dispositivos que usan la energía de las partículas emitidas por un material radiactivo para producir electricidad. Usan isótopos que emiten partículas de baja energía para minimizar la radiación.
Existen dos tipos principales: térmicas y no térmicas. Las térmicas convierten el calor de la desintegración radiactiva en electricidad, como los generadores termoeléctricos de radioisótopos (GTR).
Generadores de calor a partir de radioisótopos
Las Unidades de Calor de Radioisótopos (RHU) generan aproximadamente 1 vatio de calor de la desintegración de 238Pu. Este calor se produce continuamente durante décadas. Se usan para calentar equipos sensibles en el espacio profundo, como en la sonda Cassini-Huygens que fue a Saturno.
Generadores termoeléctricos de radioisótopos
Un GTR es un generador eléctrico que obtiene energía de la desintegración radiactiva. El calor liberado por el material radiactivo se convierte en electricidad usando termopares.
El 238Pu en forma de dióxido de plutonio es el combustible más usado en los GTR. Tiene una vida media de 87.7 años y bajos niveles de radiación. Otros isótopos como el 90Sr también se han usado.
Comportamiento del combustible en un reactor nuclear de fisión
La temperatura dentro de una pastilla de combustible varía desde el centro hasta el borde.
El combustible se examina antes y después de su uso. El combustible "fresco" se revisa sin dañarlo, usando técnicas como ultrasonidos.
El combustible usado se examina en lugares especiales con paredes gruesas para proteger a las personas de la radiación. Aquí se pueden usar métodos que sí dañan el combustible para estudiarlo.
En el combustible usado se estudian:
- El hinchado.
- La liberación de gases que se forman durante la fisión.
- El agrietamiento del combustible, que puede ocurrir por los cambios de temperatura.
Estos estudios aseguran que el combustible es seguro y funciona bien. Después de accidentes que dañan el núcleo, también se investiga el combustible para entender su comportamiento.
Comportamiento del combustible nuclear de fisión en situaciones especiales
Se han hecho muchas investigaciones para entender qué puede causar que el combustible falle en un reactor y libere material radiactivo. Solo los productos más volátiles se liberarían si un accidente causara daños graves. En Francia, hay una instalación donde se puede simular el comportamiento del combustible en condiciones extremas.
Se han realizado experimentos para ver cómo se comporta el combustible a temperaturas muy altas, estudiando cómo se daña la vaina que lo contiene y cómo se liberan los elementos radiactivos.
Véase también
En inglés: Nuclear fuel Facts for Kids
