Reactor de Agua en Ebullición

En el reactor de agua en ebullición, el mismo bucle de agua sirve como moderador, refrigerante para el núcleo, y fuente de vapor para la turbina.

En el reactor de agua en ebullición (BWR), el agua que pasa sobre el núcleo del reactor para actuar como moderator y refrigerante, es también la fuente de vapor para la turbina. La desventaja de esto es que cualquier fuga de combustible, podría hacer el agua radiactiva y esa radiactividad, alcanzaría la turbina y el resto del bucle.

Una presión de trabajo típica para este tipo de reactores es de aproximadamente 70 atmósferas a la cual, el agua hierve a aproximadamente 285ºC. Esta temperatura de funcionamiento da una eficiencia de Carnot de sólo el 42%, con una eficiencia de funcionamiento práctico de alrededor de 32%, algo menos que el PWR.

Reactor de Agua a Presión

En el reactor de agua a presión, el agua que fluye a través del núcleo del reactor está aislada de la turbina.

En el reactor de agua a presión (PWR), el agua que pasa sobre el núcleo del reactor para que actúe como moderador y refrigerante, no fluye a la turbina, sino que está contenida en un bucle primario presurizado. El circuito de agua primario produce vapor en el bucle secundario que acciona la turbina. La ventaja obvia de esto es que una fuga de combustible en el núcleo, no pasa ningún contaminante radioactivo a la turbina y al condensador.

Otra ventaja es que el PWR puede operar a mayor presión y temperatura, alrededor de 160 atmósferas, y aproximadamente 315ºC. Esto proporciona una mayor eficiencia de Carnot que el BWR, pero el reactor es más complicado y más costoso de construir. La mayoría de los reactores de Estados Unidos son reactores de agua a presión.

Reactor Reproductor Rápido de Metal Líquido

En el LMFBR, la reacción de fisión produce calor para accionar la turbina, mientras que al mismo tiempo cría combustible de plutonio para el reactor.

El reactor reproductor de plutonio-239, se denomina comúnmente reactor reproductor rápido, y la refrigeración y la transferencia de calor se realiza por un metal líquido. Los metales que pueden lograr esto son el sodio y el litio, siendo el sodio el más abundante y más comúnmente utilizado. La construcción de un reproductor rápido requiere un mayor enriquecimiento del U-235, que un reactor de agua ligera, típicamente de 15 a 30%. El combustible del reactor está rodeado por un "manto" de U-238 no fisible. No se utiliza moderador en el reactor reproductor, ya que los neutrones rápidos son más eficientes en la transmutación U-238 a Pu-239. A esta concentración de U-235, la sección transversal para la fisión con neutrones rápidos, es suficiente para mantener la reacción en cadena. El uso de agua como refrigerante puede frenar los neutrones, pero el uso de sodio líquido evita esa moderación, y proporciona un medio de transferencia de calor muy eficiente.

Reactores Reproductores Rápidos

Bajo condiciones de operación apropiadas, los neutrones emitidos por las reacciones de fisión, puede "criar" más combustible a partir de los isótopos no fisibles. La reacción de reproducción más común es la del plutonio-239, a partir del uranio-238 no fisible. El término "reproductor rápido" se refiere a los tipos de configuraciones que pueden realmente producir más combustible fisible del que consumen, tal como el LMFBR. Este escenario es posible porque el uranio-238 no fisible, es 140 veces más abundante que el U-235 fisible, y puede convertirse eficazmente en Pu-239, por los neutrones de una reacción de fisión en cadena.

Francia ha hecho la mayor implementación de reactores reproductores con su gran reactor Super-Phenix, y un reactor a escala intermedia (BN-600), en el Mar Caspio, para la energía eléctrica y la desalinización

Reproducción de Plutonio-239

El plutonio-230 fisible, se puede producir a partir del uranio-238 no fisible, por la reacción ilustrada.

El bombardeo de uranio-238 con neutrones, desencadena dos decaimientos beta sucesivos, dando lugar a la producción de plutonio. La cantidad de plutonio producida depende de la relación de reproducción..

Relación de Reproducción del Plutonio

En la reproducción del combustible plutonio en los reactores reproductores, un concepto importante es la relación de reproducción, la cantidad de plutonio-239 fisible producido, comparado con la cantidad de combustible fisible (como U-235), utilizado para producirlo. En el reactor líquido metal, reproductor rápido (LMFBR), el objetivo de la relación de reproducción es 1,4, pero los resultados obtenidos han sido alrededor de 1,2. Esto se basa en 2,4 neutrones producidos por la fisión de U-235, con un neutrón utilizado para mantener la reacción.

El tiempo requerido para que un reactor produzca suficiente material para alimentar un segundo reactor, se conoce como su tiempo de duplicación. El objetivo de diseño actual, prevé como tiempo de duplicación unos diez años. Un reactor podría utilizar el calor de la reacción para producir energía durante 10 años, y al final de ese tiempo, tener combustible para alimentar otro reactor suficiente durante 10 años

Sodio Líquido Refrigerante

El sodio líquido es usado como refrigerante y medio de transferencia de calor en el reactor LMFBR. Esto plantea inmediatamente la cuestión de la seguridad, puesto que el metal sodio es un producto químico muy reactivo, y se quema al contacto con el aire o el agua (a veces de forma explosiva en contacto con el agua). Es cierto que el sodio líquido, debe ser protegido del contacto con el aire o el agua en todo momento, y mantenido en un sistema cerrado sellado. Sin embargo, se ha encontrado que los problemas de seguridad no son significativamente mayores, que aquellos con alta presión de agua y vapor en los reactores de agua ligera.

El sodio es un sólido a temperatura ambiente, pero se licúa a 98°C. Tiene una amplia temperatura de trabajo, ya que no hierve hasta los 892°C. Esto soporta la gama de temperaturas de funcionamiento del reactor, de modo que no es necesario que sea presurizado como lo hace un sistema de refrigeración por agua-vapor. Tiene un calor específico grande, de modo que es un eficiente fluido para la transferencia de calor.

En la práctica, los reactores que utilizan líquidos refrigerantes de metal, han sido reactores rápidos de neutrones. El refrigerante de metal líquido tiene una gran ventaja ahí, porque el agua como refrigerante también modera o ralentiza los neutrones. Tales reactores de neutrones rápidos, requieren un mayor grado de enriquecimiento del combustible de uranio, del que necesitan los reactores moderados por agua.

Sección Eficaz Nuclear

Para caracterizar la probabilidad de que tenga lugar una reacción nuclear determinada, es habitual definir un tamaño efectivo del núcleo para esa reacción, llamado sección eficaz. La sección eficaz está definida por

La sección eficaz tiene unidades de área y está en el orden del cuadrado del radio nuclear. La unidad utilizada normalmente es el barn:

1 barn = 10^-28m²

Una común vieja historia de los primeros dias de investigación sobre el terreno, cuenta que una sección eficaz resultó ser mucho mas grande de lo esperado. Un experimentador exclamó: "¡Vaya, es tan grande como un granero!" y de ahí nació el nombre de la unidad, barn (granero en inglés).