Coeficiente de vacío

En ingeniería nuclear , el coeficiente de vacío (más propiamente llamado coeficiente de vacío de reactividad ) es un número que se puede utilizar para estimar cuánto cambia la reactividad de un reactor nuclear a medida que se forman vacíos (normalmente burbujas de vapor) en el moderador o refrigerante del reactor . La reactividad neta en un reactor depende de varios factores, uno de los cuales es el coeficiente de vacío. Los reactores en los que el moderador o el refrigerante es un líquido normalmente tendrán un coeficiente de vacío que es negativo (si el reactor está submoderado) o positivo (si el reactor está sobremoderado). Los reactores en los que ni el moderador ni el refrigerante son líquidos (por ejemplo, un reactor moderado con grafito y refrigerado por gas ) tendrán un coeficiente de vacío cero. No está claro cómo se aplica la definición de coeficiente de "vacío" a los reactores en los que el moderador/refrigerante no es ni líquido ni gas ( reactor de agua supercrítica ).

Los reactores nucleares de fisión funcionan mediante reacciones nucleares en cadena , en las que cada núcleo que sufre fisión libera calor y neutrones. Cada neutrón puede impactar con otro núcleo y provocar que sufra fisión. La velocidad de este neutrón afecta a su probabilidad de provocar una fisión adicional, al igual que la presencia de material absorbente de neutrones. Por un lado, los neutrones térmicos son absorbidos más fácilmente por los núcleos fisionables que los neutrones rápidos , por lo que un moderador de neutrones que ralentice los neutrones aumentará la reactividad de un reactor nuclear. Por otro lado, un absorbedor de neutrones disminuirá la reactividad de un reactor nuclear. Estos dos mecanismos se utilizan para controlar la potencia térmica de salida de un reactor nuclear.

Para extraer energía útil de un reactor nuclear y (en la mayoría de los diseños de reactores) mantenerlo intacto y en funcionamiento, se debe utilizar un sistema de refrigeración. Algunos reactores hacen circular agua presurizada; otros utilizan metal líquido , como sodio , NaK , plomo o mercurio ; otros utilizan gases (véase reactor avanzado refrigerado por gas ). Si el refrigerante es un líquido, puede hervir si la temperatura dentro del reactor aumenta. Esta ebullición produce huecos en el interior del reactor. También se pueden formar huecos si se pierde refrigerante del reactor en algún tipo de accidente (lo que se denomina accidente por pérdida de refrigerante , que tiene otros peligros). Algunos reactores funcionan con el refrigerante en un estado de ebullición constante, utilizando el vapor generado para hacer girar las turbinas.

El líquido refrigerante puede actuar como absorbedor de neutrones, como moderador de neutrones o, por lo general, como ambos, pero uno de ellos es el que tiene mayor influencia. En cualquier caso, la cantidad de vacío dentro del reactor puede afectar la reactividad del mismo. El cambio en la reactividad causado por un cambio de vacíos dentro del reactor es directamente proporcional al coeficiente de vacíos .

Un coeficiente de vacío positivo significa que la reactividad aumenta a medida que aumenta el contenido de vacío dentro del reactor debido al aumento de la ebullición o la pérdida de refrigerante; por ejemplo, si el refrigerante actúa predominantemente como absorbedor de neutrones. Este coeficiente de vacío positivo provoca un bucle de retroalimentación positiva , que comienza con la primera aparición de burbujas de vapor. Esto puede hacer hervir rápidamente todo el refrigerante en el reactor, si no se contrarresta con un mecanismo de control (automático), o si el tiempo de respuesta de dicho mecanismo es demasiado lento. Esto sucedió en el reactor RBMK que fue destruido en el desastre de Chernóbil , ya que el mecanismo de control automático estaba casi deshabilitado (y los operadores estaban tratando de manera un tanto imprudente de restaurar rápidamente un alto nivel de potencia. Debido al mal diseño de la barra de control, los operadores no eran conscientes de que había un nivel máximo de veneno de neutrones en el núcleo).

Un coeficiente de vacío negativo significa que la reactividad disminuye a medida que aumenta el contenido de vacío dentro del reactor, pero también significa que la reactividad aumenta si se reduce el contenido de vacío dentro del reactor. En los reactores de agua en ebullición con coeficientes de vacío negativos grandes, un aumento repentino de la presión (causado, por ejemplo, por el cierre no planificado de una válvula aerodinámica) dará como resultado una disminución repentina del contenido de vacío: la presión aumentada hará que algunas de las burbujas de vapor se condensen ("colapsen"); y la salida térmica posiblemente aumentará hasta que se termine por los sistemas de seguridad, por una mayor formación de vacío debido a la mayor potencia o, posiblemente, por fallas del sistema o de los componentes que alivian la presión, lo que hace que el contenido de vacío aumente y la potencia disminuya. Todos los reactores de agua en ebullición están diseñados (y se requieren) para manejar este tipo de transitorio. Por otro lado, si un reactor está diseñado para operar sin ningún vacío, un coeficiente de vacío negativo grande puede servir como un sistema de seguridad. Una pérdida de refrigerante en un reactor de este tipo disminuye la producción térmica, pero, por supuesto, el calor que se genera ya no se elimina, por lo que la temperatura podría aumentar (si todos los demás sistemas de seguridad fallaran simultáneamente).

Por lo tanto, un coeficiente de vacío elevado, ya sea positivo o negativo, puede ser un problema de diseño (que requiere sistemas de control más cuidadosos y de acción más rápida) o una cualidad deseada, según el diseño del reactor. Los reactores refrigerados por gas no tienen problemas con la formación de vacíos.

• Los reactores de agua en ebullición tienen generalmente coeficientes de vacío negativos, y en funcionamiento normal el coeficiente de vacío negativo permite ajustar la potencia del reactor modificando la velocidad del flujo de agua a través del núcleo. El coeficiente de vacío negativo puede provocar un aumento no planificado de la potencia del reactor en determinados eventos (como el cierre repentino de una válvula aerodinámica) en los que la presión del reactor aumenta de repente. Además, el coeficiente de vacío negativo puede dar lugar a oscilaciones de potencia en caso de una reducción repentina del flujo del núcleo, como la que podría producirse por una avería en la bomba de recirculación. Los reactores de agua en ebullición están diseñados para garantizar que la velocidad de aumento de presión a partir de un cierre repentino de la válvula aerodinámica se limite a valores aceptables, e incluyen múltiples sistemas de seguridad diseñados para garantizar que cualquier aumento repentino de la potencia del reactor o cualquier oscilación inestable de potencia se termine antes de que se produzcan daños en el combustible o en las tuberías.
• Los reactores de agua a presión funcionan con una cantidad relativamente pequeña de huecos y el agua actúa como moderador y refrigerante. Por lo tanto, un coeficiente de huecos negativo grande garantiza que si el agua hierve o se pierde, la potencia de salida disminuirá.
• Los reactores CANDU tienen coeficientes de vacío positivos que son lo suficientemente pequeños como para que los sistemas de control puedan responder fácilmente al refrigerante en ebullición antes de que el reactor alcance temperaturas peligrosas (ver Referencias). Además, un accidente por pérdida de refrigerante paraliza automáticamente el reactor y, a diferencia de lo que ocurre en los reactores de agua ligera , la introducción de agua "normal" en el núcleo del reactor (por ejemplo, como refrigerante de emergencia) no plantea el riesgo de criticidad , ya que un reactor CANDU solo puede alcanzar la criticidad en ausencia de la absorción de neutrones que está presente en cantidades significativas de agua ligera.
• Los reactores RBMK , como los de Chernóbil, tenían un coeficiente de vacío positivo peligrosamente alto. Esto permitía que el reactor funcionara con uranio no enriquecido y no requiriera agua pesada , lo que ahorraba costos; los RBMK también eran capaces de producir plutonio apto para armas , a diferencia del otro diseño soviético principal, el VVER . ^[1] Antes del accidente de Chernóbil, estos reactores tenían un coeficiente de vacío positivo de 4,7 beta , que después del accidente se redujo a 0,7 beta para que pudieran permanecer en servicio de manera segura.
• Los reactores reproductores rápidos no utilizan moderadores, ya que funcionan con neutrones rápidos , pero el refrigerante (a menudo plomo o sodio ) puede servir como absorbedor y reflector de neutrones. Por este motivo, tienen un coeficiente de vacío positivo.
• Los reactores Magnox , los reactores avanzados refrigerados por gas y los reactores de lecho de bolas están refrigerados por gas, por lo que los coeficientes de vacío no son un problema. De hecho, algunos pueden diseñarse de modo que la pérdida total de refrigerante no provoque la fusión del núcleo, incluso en ausencia de sistemas de control activos. Como ocurre con cualquier diseño de reactor, la pérdida de refrigerante es solo una de las muchas fallas posibles que podrían provocar un accidente. En caso de ingreso accidental de agua líquida en el núcleo de los reactores de lecho de bolas, puede producirse un coeficiente de vacío positivo. ^{[ cita requerida ] Los reactores} Magnox y UNGG fueron diseñados con el doble propósito de producir energía eléctrica y plutonio apto para armas.
• El reactor CANDU avanzado , un tipo de reactor propuesto que nunca se construyó y basado en el CANDU, promete un coeficiente de vacío negativo pero debe utilizar uranio ligeramente enriquecido como combustible y no puede operar con uranio natural como lo hace el CANDU "regular".
• En un reactor de sal fundida, la sal no suele ser ni un moderador fuerte ni un veneno neutrónico. Si se utiliza un espectro de neutrones térmicos , se suelen emplear moderadores externos como el grafito nuclear . Los productos de fisión volátiles pueden "burbujear" de la solución y, a medida que el combustible se disuelve en la sal, esto disminuye la reactividad en el lugar de la burbuja y alrededor de él. Además, la mayoría de los gases nobles del producto de fisión (el principal de ellos, el xenón-135) son venenos neutrónicos fuertes. Como el punto de ebullición de las sales involucradas es relativamente alto (en un punto en el que la integridad estructural de la carcasa de la sal fundida estaría en cuestión), normalmente se hace poco o ningún hincapié en las consecuencias de su evaporación. Con frecuencia, los reactores de sal fundida emplean un tapón de fusión que se funde a temperaturas mucho más bajas que el punto de ebullición de las sales y les permite solidificarse en un colector de núcleo .

• Física nuclear

• Chernóbil: una perspectiva canadiense. Folleto que describe los reactores nucleares en general y el diseño del reactor RBMK en particular, centrándose en las diferencias de seguridad entre ellos y los reactores CANDU . Publicado por Atomic Energy of Canada Ltd. (AECL), diseñador del reactor CANDU.
• JJ Whitlock, ¿Por qué los reactores CANDU tienen un "coeficiente de vacío positivo"? - Una explicación publicada en The Canadian Nuclear FAQ , un sitio web de "preguntas frecuentes" y respuestas sobre la tecnología nuclear canadiense.
• JJ Whitlock, ¿Cómo cumplen los reactores CANDU con altos estándares de seguridad, a pesar de tener un "coeficiente de vacío positivo"? - Una explicación publicada en The Canadian Nuclear FAQ , un sitio web de "preguntas frecuentes" y respuestas sobre la tecnología nuclear canadiense.