Hispanopedia Wiki
Articulo de referencia

veneno de neutrones

En aplicaciones como los reactores nucleares , un veneno de neutrones (también llamado absorbente de neutrones o veneno nuclear ) es una sustancia con una gran sección transvers...

Hispanopedia WikiContenido en espanolLectura gratuita

En aplicaciones como los reactores nucleares , un veneno de neutrones (también llamado absorbente de neutrones o veneno nuclear ) es una sustancia con una gran sección transversal de absorción de neutrones . [ 1 ] En tales aplicaciones, la absorción de neutrones suele ser un efecto indeseable. Sin embargo, los materiales absorbentes de neutrones, también llamados venenos, se insertan intencionalmente en algunos tipos de reactores para reducir la alta reactividad de su carga inicial de combustible nuevo. Algunos de estos venenos se agotan a medida que absorben neutrones durante el funcionamiento del reactor, mientras que otros permanecen relativamente constantes.

La captura de neutrones por productos de fisión de vida media corta se conoce como envenenamiento del reactor ; la captura de neutrones por productos de fisión de vida larga o estables se denomina escoria del reactor . [ 2 ]

Venenos transitorios de productos de fisión

Algunos de los productos de fisión generados durante las reacciones nucleares tienen una alta capacidad de absorción de neutrones, como el xenón-135 (sección transversal microscópica σ  =  2.000.000 barns (b); hasta 3 millones de barns en condiciones de reactor) [ 3 ] y el samario-149 (σ = 74.500 b). Dado que estos dos venenos de productos de fisión extraen neutrones del reactor, afectarán el factor de utilización térmica y, por lo tanto, la reactividad. El envenenamiento del núcleo de un reactor por estos productos de fisión puede llegar a ser tan grave que la reacción en cadena se detenga.    

El xenón-135, en particular, afecta enormemente el funcionamiento de un reactor nuclear, ya que es el veneno neutrónico más potente conocido. La imposibilidad de reiniciar un reactor debido a la acumulación de xenón-135 (que alcanza un máximo después de unas 10 horas) se conoce a veces como arranque impedido por xenón . El período durante el cual el reactor no puede contrarrestar los efectos del xenón-135 se denomina tiempo muerto por xenón o parada por envenenamiento . Durante los períodos de funcionamiento en estado estacionario, a un nivel constante de flujo de neutrones , la concentración de xenón-135 alcanza su valor de equilibrio para esa potencia del reactor en aproximadamente 40 a 50 horas. Cuando se aumenta la potencia del reactor, la concentración de xenón-135 disminuye inicialmente porque el grado de quemado aumenta al nuevo nivel de potencia más alto. Por lo tanto, la dinámica del envenenamiento por xenón es importante para la estabilidad del patrón de flujo y la distribución geométrica de la potencia, especialmente en reactores físicamente grandes.

Debido a que el 95 % de la producción de xenón-135 proviene de la desintegración del yodo-135 , que tiene una vida media de 6 a 7 horas, la producción de xenón-135 permanece constante; en este punto, la concentración de xenón-135 alcanza un mínimo. La concentración luego aumenta hasta el equilibrio para el nuevo nivel de potencia en el mismo tiempo, aproximadamente de 40 a 50 horas. La magnitud y la tasa de cambio de la concentración durante el período inicial de 4 a 6 horas posterior al cambio de potencia dependen del nivel de potencia inicial y de la magnitud del cambio en el nivel de potencia; el cambio en la concentración de xenón-135 es mayor para un cambio mayor en el nivel de potencia. Cuando se reduce la potencia del reactor, el proceso se invierte. [ 4 ]

Debido a que el samario-149 no es radiactivo y no se elimina por desintegración, presenta problemas algo diferentes a los que se presentan con el xenón-135. La concentración de equilibrio (y por lo tanto el efecto de envenenamiento) aumenta hasta un valor de equilibrio durante el funcionamiento del reactor en aproximadamente 500 horas (aproximadamente tres semanas), y dado que el samario-149 es estable, la concentración permanece esencialmente constante durante el funcionamiento del reactor. [ 5 ] Otro isótopo problemático que se acumula es el gadolinio-157 , con una sección transversal microscópica de σ  =  200 000  b.

Acumulación de venenos de productos de fisión

Existen numerosos productos de fisión que, debido a su concentración y sección transversal de absorción de neutrones térmicos, tienen un efecto tóxico en el funcionamiento del reactor. Individualmente, su impacto es mínimo, pero en conjunto es significativo. Estos se denominan a menudo venenos de productos de fisión concentrados y se acumulan a una tasa promedio de 50 barns por evento de fisión en el reactor. La acumulación de venenos de productos de fisión en el combustible conduce finalmente a una pérdida de eficiencia y, en algunos casos, a la inestabilidad. En la práctica, la acumulación de venenos de reactor en el combustible nuclear determina la vida útil del combustible nuclear en un reactor: mucho antes de que se hayan producido todas las fisiones posibles, la acumulación de productos de fisión absorbentes de neutrones de larga duración amortigua la reacción en cadena. Por esta razón, el reprocesamiento nuclear es una actividad útil: el combustible nuclear gastado sólido contiene aproximadamente el 97 % del material fisionable original presente en el combustible nuclear recién fabricado. La separación química de los productos de fisión restaura el combustible para que pueda reutilizarse.

Otros enfoques potenciales para la eliminación de productos de fisión incluyen combustible sólido pero poroso que permite el escape de los productos de fisión [ 6 ] y combustible líquido o gaseoso ( reactor de sales fundidas , reactor homogéneo acuoso ). Estos facilitan el problema de la acumulación de productos de fisión en el combustible, pero plantean el problema adicional de eliminar y almacenar de forma segura los productos de fisión. Algunos productos de fisión son estables o se desintegran rápidamente en nucleidos estables. De los productos de fisión de vida media y larga (aproximadamente media docena cada uno) , algunos, como el 99Los Tc se proponen para la transmutación nuclear precisamente debido a su sección transversal de captura no despreciable.

Otros productos de fisión con secciones transversales de absorción relativamente altas incluyen 83 Kr, 95 Mo, 143 Nd, 147 Pm. [ 7 ] Por encima de esta masa, incluso muchos isótopos de número de masa par tienen grandes secciones transversales de absorción, lo que permite que un núcleo absorba en serie múltiples neutrones. La fisión de actínidos más pesados ​​produce más productos de fisión más pesados ​​en el rango de los lantánidos, por lo que la sección transversal de absorción de neutrones total de los productos de fisión es mayor. [ 8 ]

En un reactor rápido, la situación de envenenamiento por productos de fisión puede diferir significativamente debido a que las secciones transversales de absorción de neutrones pueden ser diferentes para neutrones térmicos y neutrones rápidos . En el reactor rápido refrigerado por plomo-bismuto RBEC-M , los productos de fisión con captura de neutrones superior al 5% de la captura total de productos de fisión son, en orden, 133 Cs, 101 Ru, 103 Rh, 99 Tc, 105 Pd y 107 Pd en el núcleo , con 149 Sm reemplazando a 107 Pd en el sexto lugar en el manto reproductor. [ 9 ]

Venenos de descomposición

Además de los venenos de productos de fisión, otros materiales en el reactor se desintegran en materiales que actúan como venenos de neutrones. Un ejemplo de esto es la desintegración del tritio en helio-3 . Dado que el tritio tiene una vida media de 12,3 años, normalmente esta desintegración no afecta significativamente las operaciones del reactor debido a que su tasa de desintegración es muy lenta. Sin embargo, si se produce tritio en un reactor y luego se le permite permanecer en él durante una parada prolongada de varios meses, una cantidad suficiente de tritio puede desintegrarse en helio-3 y agregar una cantidad significativa de reactividad negativa. Cualquier helio-3 producido en el reactor durante un período de parada será eliminado durante la operación posterior mediante una reacción neutrón-protón , ya que el helio-3 tiene una alta sección transversal de absorción para neutrones térmicos, produciendo nuevamente tritio e hidrógeno. Los reactores de agua pesada presurizada producirán cantidades pequeñas pero notables de tritio mediante la captura de neutrones en el moderador de agua pesada, que también se desintegrará en helio-3. Dado el alto valor de mercado tanto del tritio como del helio-3, el tritio se retira periódicamente del moderador/refrigerante de algunos reactores CANDU y se vende con ganancias. [ 10 ] La boración del agua (la adición de ácido bórico al moderador/refrigerante), que se emplea comúnmente en reactores de agua ligera presurizada, también produce cantidades no despreciables de tritio a través de las reacciones sucesivas 10 5 B ( n , α ) 7 3 Li y 7 3 Li (n,α n) 3 1 T o (en presencia de neutrones rápidos ) 7 3 Li (n,2n) 6 3 Li y posteriormente 6 3 Li (n,α) 3 1 T . Los neutrones rápidos también producen tritio directamente del boro a través de 10 5 B (n,2α) 3 1 T . [ 11 ] Todos los reactores de fisión nuclear producen una cierta cantidad de tritio mediante fisión ternaria . [ 12 ]

Controlar los venenos

Dibujo esquemático de las barras de control en un reactor nuclear. Con las barras de control hacia abajo, la reacción es subcrítica: se absorben demasiados neutrones para que se produzca una reacción en cadena. Al subir las barras, el reactor alcanza la criticidad y las barras de combustible comienzan a generar calor.

Durante el funcionamiento de un reactor, la cantidad de combustible en el núcleo disminuye de forma monótona . Si el reactor va a funcionar durante un periodo prolongado, es necesario añadir combustible adicional al necesario para alcanzar la criticidad exacta . La reactividad positiva debida al exceso de combustible debe compensarse con la reactividad negativa del material absorbente de neutrones. Un método consiste en utilizar barras de control móviles con material absorbente de neutrones, pero su uso exclusivo para compensar el exceso de reactividad puede resultar poco práctico para un diseño de núcleo concreto, ya que puede haber espacio insuficiente para las barras o sus mecanismos, especialmente en submarinos, donde el espacio es muy limitado.

Venenos combustibles

Para controlar grandes cantidades de reactividad excesiva del combustible sin barras de control, se cargan venenos quemables en el núcleo. Los venenos quemables son materiales con una alta sección transversal de absorción de neutrones que se transforman en materiales con una sección transversal de absorción relativamente baja como resultado de la absorción de neutrones. Debido al consumo del material venenoso, la reactividad negativa del veneno quemable disminuye a lo largo de la vida útil del núcleo. Idealmente, estos venenos deberían disminuir su reactividad negativa al mismo ritmo que se agota la reactividad positiva excesiva del combustible.

Los venenos fijos consumibles se utilizan generalmente en forma de compuestos de boro [ 13 ] o gadolinio , que se moldean como pasadores o placas reticulares separadas, o se introducen como aditivos al combustible. Dado que suelen distribuirse de forma más uniforme que las barras de control, estos venenos alteran menos la distribución de potencia del núcleo. Los venenos fijos consumibles también pueden cargarse discretamente en ubicaciones específicas del núcleo para moldear o controlar los perfiles de flujo y evitar picos de flujo y potencia excesivos cerca de ciertas regiones del reactor. Sin embargo, la práctica actual consiste en utilizar venenos fijos no consumibles para este fin. [ 14 ]

Veneno no combustible

Un veneno no combustible es aquel que mantiene un valor de reactividad negativo constante durante la vida del núcleo. Si bien ningún veneno de neutrones es estrictamente no combustible, ciertos materiales pueden tratarse como venenos no combustibles bajo ciertas condiciones. Un ejemplo es el hafnio . Tiene cinco isótopos estables , 176Hf a través de 180Hf , que puede absorber neutrones, por lo que los cuatro primeros no se modifican químicamente al absorber neutrones. (Una absorción final produce 181Hf , que se desintegra beta a 181Ta .) Esta cadena de absorción da como resultado un veneno combustible de larga duración que se aproxima a las características de los venenos no combustibles. [ 15 ]

Venenos solubles

Los venenos solubles, también llamados agentes de compensación química , producen una absorción de neutrones espacialmente uniforme cuando se disuelven en el refrigerante de agua . El veneno soluble más común en los reactores de agua a presión (PWR) comerciales es el ácido bórico , que a menudo se denomina boro soluble . El ácido bórico en el refrigerante disminuye el factor de utilización térmica, lo que provoca una disminución de la reactividad. Al variar la concentración de ácido bórico en el refrigerante, un proceso conocido como boración y dilución, se puede modificar fácilmente la reactividad del núcleo. Si se aumenta la concentración de boro (boración), el refrigerante/moderador absorbe más neutrones, lo que añade reactividad negativa. Si se reduce la concentración de boro (dilución), se añade reactividad positiva. El cambio de la concentración de boro en un PWR es un proceso lento y se utiliza principalmente para compensar el agotamiento del combustible o la acumulación de veneno.

La variación en la concentración de boro permite minimizar el uso de barras de control, lo que resulta en un perfil de flujo más plano sobre el núcleo que el que se puede producir mediante la inserción de barras. El perfil de flujo más plano se produce porque no hay regiones de flujo reducido como las que se producirían en las proximidades de las barras de control insertadas. Este sistema no se utiliza ampliamente porque los productos químicos hacen que el coeficiente de reactividad de la temperatura del moderador sea menos negativo. [ 14 ] Todos los tipos de PWR comerciales que operan en los EE. UU. (Westinghouse, Combustion Engineering y Babcock & Wilcox) emplean boro soluble para controlar el exceso de reactividad. Los reactores de la Armada de los EE. UU. y los reactores de agua en ebullición no lo hacen. Un problema conocido del ácido bórico es que aumenta los riesgos de corrosión, como se ilustró en un incidente de 2002 en la central nuclear de Davis-Besse . [ 16 ]

Los venenos solubles también se utilizan en los sistemas de parada de emergencia. Durante el SCRAM, los operadores pueden inyectar soluciones que contienen venenos neutrónicos directamente en el refrigerante del reactor. Se utilizan diversas soluciones acuosas, como bórax , poliborato de sodio y nitrato de gadolinio . [ 14 ]

Referencias

  1. ↑ "Veneno nuclear (o veneno de neutrones)" . Glosario . Comisión Reguladora Nuclear de los Estados Unidos . 7 de mayo de 2014. Archivado del original el 14 de julio de 2014. Consultado el 4 de julio de 2014 .
  2. ↑ Kruglov, Arkadii (2002). Historia de la industria atómica soviética . Trad. de Andrei Lokhov. Londres: Taylor & Francis. pág. 57. ISBN  0-415-26970-9OCLC 50952983. Consultado el 4 de julio de 2014 . 
  3. ↑ ""Envenenamiento por xenón" o "Absorción de neutrones en reactores" . hyperphysics.phy-astr.gsu.edu . Archivado del original el 3 de abril de 2018. Consultado el 12 de abril de 2018 .
  4. ↑ Manual del DOE, págs. 35–42.
  5. ↑ Manual del DOE, págs. 43–47.
  6. ↑ Liviu Popa-Simil (2007). "Las ventajas de los combustibles libres de venenos" . Conferencia Nuclear Espacial 2007. Archivado del original el 2 de marzo de 2008. Recuperado el 27 de septiembre de 2007 .
  7. ↑ Tabla B-3: Secciones transversales de captura de neutrones térmicos e integrales de resonancia – Datos nucleares de productos de fisión. Archivado el 6 de julio de 2011 en Wayback Machine.
  8. ↑ "Evolución de las secciones transversales de los productos de fisión" . Archivado del original el 2 de enero de 2009. Consultado el 12 de abril de 2023 .
  9. ↑ Dudnikov, AA; Sedov, AA "Cálculos de evaluación comparativa del reactor rápido refrigerado por plomo-bismuto RBEC-M" (PDF) . Organismo Internacional de Energía Atómica .
  10. ↑ Pearson, Richard J.; Antoniazzi, Armando B.; Nuttall, William J. (1 de noviembre de 2018). "Suministro y uso de tritio: un tema clave para el desarrollo de la energía de fusión nuclear" . Fusion Engineering and Design . 136 : 1140–1148 . Bibcode : 2018FusED.136.1140P . doi : 10.1016/j.fusengdes.2018.04.090 . S2CID 53560490 . 
  11. ↑ Uso de boro en reactores PWR y FHR. Archivado el 4 de febrero de 2022 en Wayback Machine.
  12. ↑ "Fisión ternaria | nuclear-power.com" . Energía nuclear . Archivado del original el 7 de marzo de 2022. Consultado el 7 de marzo de 2022 .
  13. ↑ Fabricación y evaluación de elementos combustibles de urania-alúmina y elementos venenosos combustibles de carburo de boro. Archivado el 11 de marzo de 2023 en Wayback Machine , Wisnyi, LG y Taylor, KM, en "Publicación técnica especial ASTM n.° 276: Materiales en aplicaciones nucleares", Comité E-10, Sociedad Estadounidense para Pruebas y Materiales , 1959.
  14. 1 2 3 Manual del DOE, pág. 31.
  15. ↑ Manual del DOE, pág. 32.
  16. ↑ Oficina de Responsabilidad Gubernamental de los Estados Unidos (2006). "Informe al Congreso" (PDF) . pág. 1. 

Bibliografía

  • Manual de Fundamentos del DOE: Física Nuclear y Teoría de Reactores, Vol. 2 (PDF) . Departamento de Energía de EE. UU . Enero de 1993. Archivado del original (PDF) el 3 de diciembre de 2013. Consultado el 23 de septiembre de 2012 .