¿Cómo se usa el agua pesada en los reactores nucleares?

Answer 1

Una parte necesaria de un reactor nuclear es un “moderador”, un material utilizado para reducir la velocidad de los neutrones rápidos generados en la reacción de fisión nuclear. Esto es necesario porque los neutrones rápidos tienden a golpear los núcleos con tanta fuerza que rebotan sin ser tragados para crear núcleos inestables que se dividirían y continuarían la reacción en cadena.

Los materiales moderadores de neutrones son materiales tales como agua, grafito, plásticos, etc. Bueno, los plásticos aparentemente no son adecuados debido a la baja temperatura de fusión y la relativa inestabilidad bajo radiación. El agua pesada (D20, en lugar de hidrógeno y oxígeno, la molécula de agua pesada está compuesta de oxígeno y deuterio, el isótopo más pesado del hidrógeno) resulta ser el mejor moderador de todos. Es prácticamente el único material moderador que permitiría construir un reactor nuclear utilizando uranio natural sin enriquecimiento (como lo fueron la primera generación de reactores CANDU canadienses) o con un enriquecimiento menor que los reactores con agua corriente (como los PWR).

El uso de agua pesada no está muy extendido porque:

• El agua pesada es costosa: aunque está disponible en el océano, su separación del agua es difícil.
• Durante la irradiación, el deuterio tiende a formar tritio, el isótopo aún más pesado del hidrógeno, que es tóxico y radiactivo y también difícil de contener dentro de cualquier sistema de contención, como el hidrógeno. Por lo tanto, todos los reactores de agua pesada producen algo de contaminación de tritio, y la vida media del tritio es de más de 10 años, no solo unos pocos días.
• Debido a los problemas anteriores, los reactores de agua pesada a menudo no son como sus primos de agua simple que tienen un gran volumen de agua en un recipiente presurizado (a pesar de que dichos reactores también están funcionando) y generalmente tienen un recipiente de agua pesada que se usa únicamente como moderador, con tubos corriendo a través de él para contener los conjuntos de combustible de uranio y el refrigerante (que puede ser nuevamente agua pesada o agua corriente). Este diseño tiene una similitud distante con el reactor RBMK de Chernobil, donde el grafito fue el moderador, con agua refrigerante del combustible. Dependiendo de las peculiaridades exactas del diseño del reactor (por ejemplo, los primeros diseños CANDU), tal división de funciones puede conducir a algunos problemas con los factores de reactividad del núcleo del reactor en caso de accidentes por pérdida de refrigerante; en caso de pérdida de refrigerante, el moderador aún estar presente en el tanque exterior. La última generación de CANDU parece haber resuelto estos problemas de seguridad, pero también utilizan uranio enriquecido en lugar de uno natural, perdiendo así una característica particularmente atractiva de los reactores de agua pesada.

Answer 2

La mayoría de los reactores nucleares comerciales usan agua normal (también llamada agua ligera) como moderador de neutrones. Algunos diseños de reactores, como el reactor CANDU, usan agua pesada.

Una molécula de agua pesada contiene deuterio (Hidrógeno-2), que es un isótopo de hidrógeno que tiene un neutrón en su núcleo además del protón. El hidrógeno en las moléculas de agua ligera contiene solo el protón (y, por lo tanto, se llama protio o hidrógeno-1).

Es mucho menos probable que el deuterio absorba neutrones que el protio. Como resultado, más de los neutrones en un reactor de agua pesada están disponibles para ser absorbidos por el uranio que en un reactor de agua ligera. El resultado es que el uranio en un reactor CANDU no necesita ser enriquecido en U-235; El uranio natural se puede utilizar como combustible. Esto a su vez significa que un reactor de agua pesada puede producir más energía por unidad de uranio extraído.

Answer 3

Como señala Eric Hawkes, el agua pesada se usa en reactores que usan uranio natural en lugar de uranio enriquecido. También se usa en reactores de investigación que usan al menos algunos elementos de combustible de uranio enriquecido para producir flujos de neutrones extremadamente altos.

En el espíritu de transmitir trivia, el agua pesada se congela a menos de 4 ° Celsius y hierve a poco más de 101 ° Celsius.

Answer 4

El agua pesada se usa como moderador para termalizar o ralentizar los neutrones para que su energía sea óptima para causar una fisión.

Answer 5

Una razón por la que los reactores de agua pesada son preferibles a los reactores de agua ligera, es que los reactores de agua pesada no requieren que se enriquezca el uranio.

Un reactor de agua pesada puede usar uranio natural. Sí, necesitarías una planta de producción de agua pesada. Pero no, no necesitarías una planta de enriquecimiento de uranio.

Answer 6

El uso de agua pesada como moderador es la clave del sistema PHWR (reactor de agua pesada presurizada), que permite el uso de uranio natural como combustible (en forma de UO2 de cerámica), lo que significa que puede funcionar sin uranio costoso. instalaciones de enriquecimiento La disposición mecánica del PHWR, que coloca a la mayoría del moderador a temperaturas más bajas, es particularmente eficiente porque los neutrones térmicos resultantes son “más térmicos” que en los diseños tradicionales, donde el moderador normalmente está mucho más caliente. Estas características significan que un PHWR puede usar uranio natural y otros combustibles, y lo hace de manera más eficiente que los reactores de agua ligera (LWR).

Los reactores de agua pesada a presión tienen algunos inconvenientes. El agua pesada generalmente cuesta cientos de dólares por kilogramo, aunque esto es una compensación contra la reducción de los costos de combustible. El contenido reducido de energía del uranio natural en comparación con el uranio enriquecido requiere un reemplazo más frecuente del combustible; Esto normalmente se logra mediante el uso de un sistema de reabastecimiento de energía. La mayor velocidad de movimiento del combustible a través del reactor también da como resultado mayores volúmenes de combustible gastado que en los LWR que emplean uranio enriquecido. Sin embargo, dado que el combustible de uranio no enriquecido acumula una menor densidad de productos de fisión que el combustible de uranio enriquecido, genera menos calor, lo que permite un almacenamiento más compacto. [2]

Un reactor de agua pesada presurizada (PHWR) es un reactor nuclear, que comúnmente usa uranio natural no enriquecido como combustible, que usa agua pesada (óxido de deuterio D2O) como refrigerante y moderador de neutrones. El refrigerante de agua pesada se mantiene bajo presión, lo que permite calentarlo a temperaturas más altas sin hervir, como en un reactor de agua a presión. Si bien el agua pesada es significativamente más costosa que el agua ligera ordinaria, crea una economía de neutrones muy mejorada, permitiendo que el reactor funcione sin instalaciones de enriquecimiento de combustible (compensando el gasto adicional del agua pesada) y mejorando la capacidad del reactor para hacer uso de ciclos alternos de combustible.

Answer 7

El agua pesada se usa como moderador en un reactor nuclear. El moderador ralentiza los neutrones rápidos producidos en la fisión nuclear en un reactor. Los neutrones rápidos tienen una probabilidad muy pequeña (sección transversal de tener una reacción de fisión con U-235), por lo que los neutrones deben ser ralentizados. Mientras se ralentiza, los neutrones pierden energía en las moléculas de agua pesada y se calientan. Este calor se puede usar para hervir agua (ordinario) y se puede administrar para mover la turbina para producir electricidad.