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El arma secreta de las barras de control: ¿por qué detienen las reacciones nucleares tan rápidamente?
Principio de funcionamiento
Las barras de control se insertan en el núcleo de un reactor nuclear. Al ajustar la profundidad de inserción de las barras de control, se controla la velocidad de la reacción nuclear en cadena, lo que a su vez afecta la potencia térmica del reactor, la tasa de generación de vapor y la potencia de salida de la planta de energía. El número de barras de control insertadas y su profundidad afectan en gran medida la reactividad del reactor. Es decir, cuando la reactividad es superior a 1, la velocidad de la reacción nuclear en cadena aumentará exponencialmente; por el contrario, cuando la reactividad es inferior a 1, disminuirá exponencialmente.
Con todas las barras de control completamente insertadas, la reactividad se puede mantener a niveles cercanos a cero, lo que permite reducir rápidamente la velocidad de un reactor en funcionamiento y mantenerlo apagado.
Para mantener una potencia de salida estable es necesario mantener el factor de multiplicación de neutrones promedio a largo plazo cerca de la unidad. Cuando se ensambla un nuevo reactor, las barras de control se insertan completamente y luego se retiran gradualmente para iniciar la reacción nuclear en cadena y aumentar la potencia al nivel requerido.
Selección de materialesLa elección del material para las barras de control es fundamental, ya que debe tener una sección transversal de captura de neutrones alta. La plata, el indio y el cadmio son algunos de los materiales más utilizados, aunque otros elementos como el boro, el aluminio, el hafnio, el cerio, el titanio, el silicio, etc. también se consideran materiales potenciales. Además, las barras de control suelen estar hechas de aleaciones o compuestos, como acero con alto contenido de boro, aleación de plata-indio-cadmio, etc.
Las barras de control, que deben ser capaces de resistir la expansión inducida por neutrones y poseer buenas propiedades mecánicas, suelen tener forma de estructuras tubulares rellenas de partículas o polvo que absorben neutrones.
Por ejemplo, en los reactores de agua presurizada, se utilizan ampliamente aleaciones de plata-indio-cadmio (normalmente 80% de plata, 15% de indio y 5% de cadmio). Estos materiales tienen diferentes características en el rango de absorción de neutrones, lo que hace de esta aleación un excelente medio de absorción de neutrones. Al mismo tiempo, estos materiales también deben evitar la corrosión a altas temperaturas del agua.
Consideraciones de seguridadPor razones de seguridad, en la mayoría de los diseños de reactores, las barras de control están conectadas a la maquinaria de elevación a través de dispositivos electromagnéticos. De esta manera, si se produce un corte de energía, las barras de control pueden caer automáticamente por gravedad e insertarse completamente en el reactor para detener rápidamente la reacción. Este proceso de apagar rápidamente un reactor se llama "scramming".
Otros medios de regulación de la capacidad de respuesta
En algunos reactores, la reactividad también se puede ajustar añadiendo absorbentes de neutrones solubles, como ácido bórico, al refrigerante. Este dispositivo de fijación química, junto con los venenos neutrónicos combustibles utilizados en las partículas de combustible, puede emplearse para ajustar la reactividad de los reactores nucleares a largo plazo. Además, los operadores que operan un BWR realizan el control de la reactividad ajustando la velocidad de las bombas de circulación del reactor.
Prevención de accidentes críticosLa mala gestión o falla de las barras de control se suele achacar a los accidentes nucleares, como la explosión del SL-1 y el desastre de Chernóbil. Para gestionar estas crisis se suelen utilizar absorbedores de neutrones uniformes. La implementación de estos métodos es fundamental para la seguridad de la energía nuclear.
Conclusión
Al considerar exhaustivamente el diseño de las barras de control, los materiales y la regulación de la reactividad, podemos ayudar a crear un entorno de reacción nuclear controlado para garantizar el uso seguro de la energía nuclear. Sin embargo, ¿qué margen y oportunidades cree usted que hay para mejorar la tecnología nuclear del futuro?
