Reactor nuclear PWR

pcm

Una cienmilésima de k (por cien mil). Si k pasa de 1,000 a 1,001, la reactividad ha subido unos 100 pcm. Sirve para hablar de cambios pequeñísimos de k, que en un reactor son los que importan.

Periodo

Lo que tarda la potencia en multiplicarse por 2,7 (el número e). Con un periodo de 20 s se multiplica por 10 en unos 46 s; con uno de 5 s, en 12 s. Cuanto más corto, más deprisa sube. Si es negativo, baja.

Subcrítico, crítico, supercrítico

k menor, igual o mayor que 1: la cadena se apaga, se mantiene o crece. Crítico es lo normal con el reactor en marcha y no significa peligro.

Moderador

Lo que frena los neutrones: aquí, el agua. Frenados, el uranio-235 los atrapa cientos de veces mejor.

Rápido, epitérmico, térmico

Las velocidades de un neutrón: rápido al nacer (unos 20 000 km/s), epitérmico mientras se frena y térmico cuando ya va al paso de la agitación del agua (unos 3 km/s).

Efecto Doppler

Aquí no tiene que ver con la sirena de una ambulancia: al calentarse el combustible, sus núcleos se agitan más y el uranio-238 atrapa más neutrones. Por eso el reactor se frena solo cuando sube la potencia.

Barras de combustible y barras de control

No son lo mismo. Las de combustible (amarillas) llevan las pastillas de uranio y nunca se mueven. Las de control (rojas) llevan B₄C, carburo de boro, que se come neutrones, y suben o bajan para controlar la reacción.

Tubo guía

Un tubo entre las barras de combustible por el que entra y sale una barra de control. Cuando la barra está fuera, el tubo se llena de agua.

La fuente

Unos pocos neutrones que aparecen aunque el reactor esté parado (fisiones espontáneas y una fuente de arranque). Dan unos vatios de potencia: lo que el reactor multiplica al arrancar.

Potencia nominal

La potencia para la que está diseñada la central: aquí, 3000 MW de calor. «El 50 % de la nominal» son 1500 MW.

MW, MWe y MWh

MW (megavatios) es potencia: el calor del reactor son MW térmicos y la electricidad, MWe (eléctricos, un tercio del calor). MWh es energía: un megavatio durante una hora. Los puntos del juego son MWh de electricidad.

SCRAM

Parada de emergencia: todas las barras caen por su propio peso en un par de segundos.

Carga de la turbina

Cuánto vapor se lleva la turbina, en % del que da el reactor a plena potencia. La turbina solo puede llevarse el vapor que el reactor produce: si pide más, el agua del generador de vapor se enfría y la presión del vapor baja.

Turbina disparada

La turbina cierra de golpe la entrada de vapor para protegerse y deja de hacer electricidad. Aquí pasa si la presión del vapor baja de 4 MPa o si se dispara el reactor; y si se dispara la turbina con el reactor por encima del 50 %, el reactor también se para.

k es cuántos neutrones de la siguiente generación deja, de media, cada neutrón de esta. Si k = 1, cada generación reemplaza exactamente a la anterior y la potencia se queda quieta: eso es un reactor crítico, y es como funciona normalmente.

Si k < 1 (subcrítico), cada generación es menor y la reacción se apaga sola, salvo por los pocos neutrones de la fuente. Si k > 1 (supercrítico), crece. En un reactor de verdad k nunca se aleja mucho de 1: k = 1,001 ya es mucho.

De cada neutrón que nace en una fisión, unos acaban en otra fisión, otros los captura el uranio-238 o el agua, otros los absorbe el boro de las barras y otros se escapan del núcleo. k sale de ese reparto, que es justo lo que enseñan la lupa y las fichas de destinos.

Un neutrón nace de una fisión con unos 2 MeV: va a unos 20 000 km/s. A esa velocidad el U-235 casi no lo atrapa. Lento (térmico, unos 3 km/s en el agua caliente del reactor), la probabilidad de que lo fisione es cientos de veces mayor.

El agua lo frena por choques. El hidrógeno tiene casi la misma masa que el neutrón, así que en un solo choque le puede quitar casi toda la energía, como una bola de billar contra otra igual. De media hacen falta unos 20 choques para pasar de MeV a térmico; el oxígeno, 16 veces más pesado, apenas ayuda. Síguelo en la lupa con «Seguir un neutrón».

El agua hace dos trabajos a la vez: frena los neutrones (moderador) y se lleva el calor (refrigerante). Si se calienta y se dilata, modera peor y la reacción baja: es el coeficiente negativo del moderador, una de las razones por las que un PWR se estabiliza solo.

Una barra de control no enfría nada ni frena nada: absorbe neutrones. Contiene boro-10, que atrapa un neutrón térmico con una probabilidad enorme (unos 3800 barn) y se rompe en litio-7 y una partícula alfa. Ese neutrón ya no hará ninguna fisión.

Las barras se mueven por tubos guía propios, entre las barras de combustible, que nunca se mueven. Cuando una barra sale, su tubo guía se queda lleno de agua. En la lupa se ve: con la barra a esa altura, los neutrones térmicos que entran en el tubo guía desaparecen con un destello rojo.

Una barra vale poco al empezar a entrar, mucho en el centro del núcleo y poco al final, porque en el centro es donde más neutrones hay. Por eso su efecto sigue una curva en S.

Un neutrón vive unas veinte millonésimas de segundo (la lupa lo mide). Si todos los neutrones salieran al instante, con k = 1,001 la potencia se multiplicaría por 10 en unas centésimas de segundo: imposible de controlar.

Pero un 0,65 % de los neutrones de fisión no salen enseguida: los sueltan algunos fragmentos segundos después (de 0,2 a 56 s). Esa pequeña fracción alarga el tiempo medio entre generaciones hasta casi una décima de segundo, y la potencia cambia en segundos o minutos. Menos del 1 % de los neutrones hace que el reactor se pueda controlar.

Si la reactividad llegara a igualar esa fracción (ρ = β), los neutrones inmediatos bastarían solos para que la reacción creciera: supercrítico inmediato. En una central eso no se alcanza moviendo barras: van despacio, un bloqueo para su retirada si la potencia sube demasiado deprisa y la protección dispara antes. En el simulador ese bloqueo no está, para que se pueda ver lo que pasa: si sacas barras demasiado deprisa, el reactor puede pasar de supercrítico, y lo para el SCRAM automático (al 109 % o si la potencia sube más de un 5 % en 2 s).

El SCRAM para la reacción en cadena en un par de segundos, pero los fragmentos de fisión que se han ido acumulando son radiactivos y siguen desintegrándose. Su energía es el calor residual: justo al parar, en torno a un 6–7 % de la potencia; al cabo de una hora, entre un 1 y un 1,5 %; al cabo de un día, un 0,4–0,5 %. (El simulador usa una fórmula sencilla, la de Way y Wigner, que se queda en la parte baja de ese margen.)

En un reactor de 3000 MW eso son de 30 a 45 MW una hora después de apagarlo. Por eso la refrigeración del núcleo no puede detenerse nunca, y por eso los accidentes graves de Three Mile Island y Fukushima fueron pérdidas de refrigeración después de la parada, no fallos al detener la reacción.

Porque está a 15,5 MPa, unas 150 veces la presión del aire. A esa presión el agua no hierve hasta los 345 °C, y sale del núcleo a unos 325 °C: el agua, en conjunto, no hierve. En el canal más caliente, pegadas a la vaina, se forman burbujas diminutas que se condensan enseguida en el agua más fría (ebullición subenfriada). El presionador, un depósito con una burbuja de vapor arriba y resistencias eléctricas abajo, mantiene esa presión.

El vapor que mueve la turbina se forma en otro circuito, el secundario, a 6,9 MPa (hierve a 285 °C), dentro del generador de vapor. El agua del primario pasa por dentro de miles de tubos en U y cede su calor sin mezclarse con la del secundario.

Parece que lo peor sería quedarse sin refrigeración con el reactor a plena potencia. Pero en un PWR el agua es también el moderador: sin ella los neutrones no se frenan y el uranio-235 casi no los atrapa. Al hervir o escaparse el agua, la reacción en cadena se apaga sola, incluso si las barras no cayeran. El transporte de la lupa lo mide: con solo un 5 % menos de agua, k baja unos 440 pcm, de 1,000 a 0,996 (unos −90 pcm por cada 1 % de huecos; la cifra publicada para un PWR es del orden de −100). Un pcm es una cienmilésima de k.

Lo que no se apaga es el calor residual: un 6–7 % de la potencia al parar, todavía un 1–1,5 % una hora después. Sin agua, el combustible apenas se refrigera y ese calor lo calienta. Por eso las centrales tienen inyección de emergencia: acumuladores y bombas que meten agua fría y muy borada (el boro mantiene la reacción apagada aunque el agua vuelva a moderar). La norma de la NRC (10 CFR 50.46) exige que la vaina del combustible no pase de 1204 °C y que no se oxide más de un 17 % de su espesor: por encima, el circonio reacciona con el vapor de forma desbocada y se vuelve frágil. Antes, hacia los 700–900 °C, la vaina ya puede hincharse y reventar (NUREG-0630).

Three Mile Island (1979) fue una pérdida de agua lenta: una válvula del presionador se quedó abierta (una rotura pequeña), los operadores redujeron la inyección de emergencia porque creían que sobraba agua y, en unas horas, el calor residual fundió parte del núcleo. La reacción en cadena llevaba horas apagada. Aquí se simula lo contrario, una rotura grande que se vacía en un minuto: es el caso con el que se diseña la inyección de emergencia.

En el RBMK de Chernóbil pasaba lo contrario: el moderador era grafito, y el agua, sobre todo, absorbía neutrones. Al hervir había menos absorción y la reacción se aceleraba (coeficiente de huecos positivo). Los reactores de agua ligera se diseñan para que perder el agua apague la cadena.

El reactor solo hace calor; la electricidad la hace la turbina, movida por el vapor del secundario. Convierte en electricidad en torno a un tercio del calor: 3000 MW térmicos dan unos 1000 MW eléctricos. El resto se va por el condensador al río, al mar o a las torres de refrigeración.

En un PWR el reactor sigue a la turbina. Si la turbina pide más vapor, el secundario se enfría, el agua del primario vuelve más fría al núcleo, modera mejor (coeficiente negativo del moderador) y la potencia sube sola hasta igualar lo pedido. Si la turbina pide menos, el agua se calienta y la potencia baja. El moderador solo no llega a plena potencia (el agua tendría que enfriarse tanto que la turbina se quedaría sin presión de vapor): las barras compensan el Doppler para mantener la temperatura media en su programa, que sube de 292 °C sin carga a 307 °C a plena carga. Pruébalo: marca «Barras automáticas» y mueve la carga.

Por eso la carga de la turbina es la cuarta variable de control. Las bombas del primario, en cambio, suelen ir a velocidad fija. Si la turbina no toma el vapor, la descarga lo manda al condensador sin hacer electricidad (hasta un 40 %), y si aun así sube la presión, se abren las válvulas de alivio.

Una idea muy natural, pero al revés: «si la turbina se lleva más energía, el núcleo se enfría y la potencia baja». El agua sí se enfría, pero la potencia SUBE. Con las barras quietas, subir la turbina del 50 al 70 % baja el agua media de 299 a 286 °C y la potencia térmica sube sola del 50 al 70 % en unos 4 minutos del reactor, mientras el combustible pasa de 485 a 545 °C y el Doppler frena la subida. Sería al revés si el coeficiente del moderador fuera positivo: puede pasar en una central al principio del ciclo, con mucho boro y poca potencia, y por eso las especificaciones técnicas lo limitan; aun así, el coeficiente total, con el Doppler, sigue siendo negativo. En el modo avanzado se ve en vivo («Coeficiente del moderador (ahora)»): con más boro, menos negativo.

Algunos fragmentos de fisión absorben neutrones: son venenos. El peor es el xenón-135, que atrapa neutrones térmicos con una probabilidad gigantesca (2,6 millones de barn). Nace sobre todo del yodo-135 (6,58 h) y desaparece de dos formas: se desintegra (9,14 h) o se lo comen los neutrones. A plena potencia se equilibra y quita unos 2500 pcm.

Al parar el reactor ya no hay neutrones que lo quemen, pero el yodo sigue produciéndolo: el xenón crece durante unas 8 horas (hasta 11 en reactores de flujo muy alto), llega a quitar más del doble que en marcha y puede impedir volver a arrancar: es el «pozo de xenón». En el modo avanzado, a 1 hora por segundo, se ve en el desglose de la reactividad.

Para compensar estos cambios lentos, un PWR disuelve boro en el agua: añadir boro quita reactividad y diluirlo la da, por igual en todo el núcleo. El transporte de la lupa mide su valor: −7,0 pcm por cada ppm (los valores de diseño van de −5 a −13,5). En la lupa se ven los neutrones absorbidos por el boro disuelto en el agua.

Tres motores con la misma física. La planta resuelve la cinética puntual con seis grupos de neutrones retardados, el calor del combustible, del agua y del generador de vapor, y el calor residual. La lupa sigue neutrones uno a uno con un transporte Monte Carlo y las secciones eficaces de ENDF/B-VIII.0. Un tercer motor repite ese transporte miles de veces por segundo para medir k∞, los cuatro factores y el espectro.

Las barras de la lupa son las de la planta: si la punta de un banco pasa por la altura de la lupa, el boro aparece o desaparece en su tubo guía. La temperatura del agua de la planta cambia su densidad en el transporte, y la potencia decide cuántos neutrones se ven.

El coeficiente Doppler es un valor citado; el valor de las barras está elegido para la didáctica (más fuerte que en una central, para que se note al moverlas), no copiado de una central concreta. El efecto del agua (su temperatura, los huecos, el agua fría) y el del boro salen de una medición hecha antes con este mismo transporte, con millones de neutrones, suavizada y guardada en los datos. No se calculan en vivo porque una k calculada al vuelo con unos miles de neutrones tendría un error de cientos de pcm y el reactor «crítico» subiría y bajaría solo.

Lo que se simplifica

Lo que no es literal