Núcleo 3D de un reactor modular pequeño

Un reactor modular pequeño da hasta unos 300 MW eléctricos y se fabrica en serie. Este es un PWR integral como el NuScale US460: 250 MW térmicos y 77 eléctricos, sin bombas (el agua circula sola) y con los generadores de vapor dentro de la vasija.

El núcleo es el de un PWR, recortado: 37 ensambles 17×17 de 2 m de alto, frente a los 193 de 3,7 m de una central de 1000 MWe. Al ser pequeño pierde más neutrones por el borde y necesita más enriquecimiento que un núcleo grande.

1. Fisión: cada núcleo de uranio que se rompe suelta calor en la pastilla. 2. Primario: el agua a 13,8 MPa (no hierve) lo recoge y sale a 320 °C hacia el generador de vapor. 3. Generador de vapor: cede el calor a otra agua, que sí hierve: vapor a 3,4 MPa. 4. Turbina: el vapor se expande y hace girar el eje a 3600 rpm. 5. Generador eléctrico: el giro se vuelve corriente (77 MWe). 6. Transformador: sube la tensión y la manda a la red. 7. Condensador y torre: el vapor agotado vuelve a ser agua y el calor sobrante (unos 170 MW) sale al aire como vapor limpio.

De los 250 MW de calor solo un tercio llega al enchufe: es el límite de toda máquina térmica, no un defecto nuclear. Pon «Plena potencia», activa el edificio y toca cada pieza en «Piezas de la planta» para seguir el recorrido.

Entre el combustible y tú hay tres paredes: la vaina de circonio de cada barra (1.ª), la vasija de acero con el primario cerrado (2.ª) y la contención de acero dentro de la piscina y la nave de hormigón (3.ª). El Estado del reactor te dice si la 1.ª aguanta («Vaina», límite 1204 °C).

Y si todo falla: las barras caen por su peso (SCRAM), el agua circula sola (circulación natural), el calor residual sale al agua de la piscina (DHRS) y el boro apaga la reacción (inyección). Nada de eso necesita corriente: prueba «Apagón total» en el tablero avanzado.

Cada ensamble tiene 264 barras de combustible (pastillas de UO₂ al 4,5 % en una vaina de circonio de 9 mm), 24 tubos guía por donde entran los dedos de la barra de control y uno de instrumentación en el centro. Las rejillas los mantienen separados y el agua sube entre ellos.

En el núcleo entero: 9768 barras de combustible, 888 tubos guía, 37 de instrumentación y 384 dedos absorbentes. El dibujo los tiene todos, con sus radios reales (tomados de un PWR de referencia, el benchmark BEAVRS).

16 de los 37 ensambles llevan barra: las casillas de un color del tablero de ajedrez, así ningún par se toca por una cara, y el central no lleva. Cada barra son 24 dedos de B₄C que entran desde arriba por los tubos guía; en un SCRAM caen por su peso en 2 s.

Aquí van en tres bancos: Regulación (4, junto al centro), Seguridad (8, el anillo) y Ajuste fino (4, el borde). Una barra vale según el flujo de neutrones donde se mete, al cuadrado: por eso las 4 del centro valen más que las 8 del anillo, y seis veces más que las del borde. Lo mide la propia difusión 3D (abajo).

Las barras recorren los 2 m del núcleo en 120 s de reactor; la Seguridad va entera dentro o fuera. Mantén ▲ o ▼ para moverlas o toca para un paso.

La forma la da la difusión de neutrones en 3D (un grupo de energía, un nodo por ensamble y por cada 10 cm). Sin barras es un coseno en altura y un máximo en el centro: los neutrones se fugan por el borde.

Una barra a medias hunde la potencia bajo ella y la empuja hacia abajo y hacia los ensambles vecinos: mira el mapa y la forma axial mientras la mueves. A plena potencia, el Doppler aplana la forma (donde hay más potencia el combustible está más caliente y absorbe más) y el agua, más caliente arriba, baja el pico.

F_q es la potencia del punto más caliente dividida por la media; F_xy, la del ensamble más caliente. Las centrales los vigilan porque el límite que protege la vaina es la potencia lineal del punto más caliente, no la media.

Con las barras a medias los picos suben (de 2,6 a más de 3,5 al meter la Regulación al 50 %): por eso se opera con la Regulación casi fuera y el control lento lo hace el boro, que quita reactividad por igual en todo el núcleo. Este núcleo es uniforme (sin zonas de enriquecimiento ni venenos quemables), así que su F_q sin barras es alto para una central real.

La nave del reactor es el edificio de hormigón. Dentro, la piscina; en ella, de pie, la contención de acero con la vasija y el presionador. A su lado, el generador de vapor (y, en la variante con bombas, las bombas del primario). Encima, la grúa puente para la recarga; a la izquierda, la piscina de combustible gastado. Tres circuitos de agua que nunca se mezclan: el primario (rojo y azul) entre el reactor y el generador de vapor; el secundario (vapor a la turbina, condensador y bombas de vuelta); y el agua de circulación (verde) del condensador a la torre, cuyo penacho crece con la carga.

Del generador eléctrico salen los cables gruesos al transformador, que sube la tensión, y de ahí a las torres de la red. La seguridad: el DHRS en la piscina, que evacua el calor residual sin corriente; el tanque de agua borada de la inyección de emergencia; la sala de baterías acristalada y el grupo diésel de respaldo. Las personas miden 1,75 m: sirven de escala. El edificio es low poly para situarse; el detalle está en el núcleo y en los equipos que funcionan.

Es helicoidal y de un solo paso, como el del NuScale: el agua caliente del reactor entra por arriba, baja por fuera de los tubos cediendo su calor y sale fría por abajo, de vuelta al reactor. El agua de alimentación entra por el cabezal de abajo, sube por dentro de los serpentines, hierve a mitad de camino y sale por el colector de arriba como vapor seco, a unos 3,4 MPa, hacia la turbina. Los dos circuitos no se tocan: el vapor nunca ha pasado por el reactor, y por eso la turbina y su nave no son radiactivas.

En la vista «Generador de vapor» se ve el casco en corte, los tres serpentines, el agua del primario coloreada de caliente a fría y las partículas que corren: por fuera de los tubos bajan y se enfrían; por dentro suben y se vuelven vapor. En el NuScale real los serpentines están dentro de la propia vasija, alrededor de la chimenea; aquí el generador está fuera, como en los esquemas clásicos, para verlo entero.

La cámara térmica colorea cada pieza por su temperatura con la escala clásica (azul, morado, magenta, rojo, naranja, amarillo, blanco), de 20 °C (azul, el ambiente) a 350 °C (blanco: el máximo de operación normal, la superficie de la vaina del combustible). El combustible por dentro va mucho más alto (600 °C de media, unos 1400 en el centro de la pastilla más caliente) y satura en blanco a plena potencia; al apagar, el blanco se apaga y queda el calor residual en amarillo y rojo. La vasija, las tuberías y el generador de vapor se calientan con retraso, cada pieza con su inercia: así se ve el calor nacer en el núcleo y repartirse.

Es una estimación para enseñar, no una medida: cada barra toma el agua a su altura más el salto del combustible, proporcional a su potencia local; los retrasos son del orden de los reales (segundos para el agua, minutos para el acero grueso).

Dos cálculos sobre la misma geometría. La planta del SMR (la del Módulo 8: cinética puntual, es decir, k, potencia y temperaturas de todo el núcleo como un solo punto, con neutrones retardados, calor del combustible y del agua, boro, xenón, circulación natural y protección) dice CUÁNTO, con los valores declarados de las barras. La difusión en 3D dice DÓNDE: el reparto entre ensambles y alturas.

La difusión se calibra sobre los valores declarados (todas las barras fuera, k = 1 + exceso; la Regulación dentro, sus 5300 pcm) y los de la Seguridad y el Ajuste fino salen del cálculo. Un k calculado nodo a nodo en vivo tendría un error de decenas de pcm y el reactor «crítico» no se quedaría quieto.

Lo que se simplifica

Lo que no es literal