Capítulo 2 1 Capítulo 2 Fuente Nuclear de Fisión La fisión nuclear y

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Capítulo 2
Fuente Nuclear de Fisión
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:
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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 1840 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: 91Th²³³ 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:
1
3
1
2
2
3
4
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
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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:
F=
q × q'
d2
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.
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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 0,5 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:
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‰
‰
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 700°C, por
eso se le dice espectro térmico, equivalente a una velocidad del orden de los 20.000
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.
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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 20.000 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:
1⎞⎟⎠
U 235 + 1n 0 → A + B + 1n 0 + E1
92
⎫
⎪
⎪
⎬ →
⎪
⎪⎭
2 ⎞⎟⎠ 92U 235 + 1n 0 → C + D + 21n 0 + E 2
3)
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U 235 + 1n 0 → E + F + 31n 0 + E3
92
4
X + Y + 2,5 1n 0 + E
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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
i=
número de desintegraciones en el instante t
número de desintegraciones en el instante t − 1
resulta evidente que i > 1 indica una reacción divergente, mientras que i < 1 indica
reacción convergente. por lo que resulta claro que cualquier proceso de fisión que
tenga interés tecnológico debe ser con i = 1.
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
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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=1 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 (0,7% 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
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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
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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
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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.
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