RE: ¿Cómo se controla una reacción nuclear?
Esta respuesta es la fisión nuclear, no la fusión.
En un reactor de fisión tiene algo llamado ” economía de neutrones “: dos o más neutrones se liberan cuando un núcleo de uranio o plutonio ” fisionable ” (capaz de dividirse) es golpeado por un neutrón y se divide. La mayoría de esos neutrones se liberan casi instantáneamente, y se denominan ” neutrones rápidos “, pero una parte de los neutrones se liberan solo después de algún retraso, y se denominan ” neutrones retardados “. Esta es una física nuclear invariable que es altamente predecible y no depende de lo que las personas o los sistemas de control hagan o no hagan.
Algunos de esos neutrones se dividen más núcleos fisionables creando energía, algunos son absorbidos por núcleos fisionables sin dividirlos, algunos son absorbidos por “núcleos fértiles” que hacen núcleos fisibles, algunos son absorbidos por materiales no fisibles / no fértiles en el reactor, otros abandonan el núcleo del reactor y eventualmente se descomponen en hidrógeno, etc. Los reactores están diseñados con mucho cuidado para lograr la economía de neutrones deseada.
Si uno o más neutrones en promedio golpean un núcleo fértil convirtiéndolo (eventualmente) en un núcleo fisionable, entonces tiene un “reactor reproductor” que hace que el combustible sea tan rápido como lo consume. Esto es muy útil ya que hay cientos de veces más material fértil disponible en la naturaleza que el material fisionable.
Para mantener una reacción en cadena durante un largo período de tiempo, debe tener, en promedio, exactamente un neutrón de su economía de neutrones golpeado y dividido otro núcleo fisionable. Si menos de un neutrón, en promedio, divide otros núcleos, entonces su reacción en cadena se detendrá, dejando de producir energía por fisión.
Si más de un neutrón divide los núcleos fisionables, entonces la reacción se acelera a un ritmo exponencial y debe hacerse algo o debe suceder para reducir el número de fisión. Si todos los neutrones fueran neutrones rápidos, entonces la reacción en cadena sería incontrolable. Afortunadamente, la física nos proporciona de manera confiable neutrones retrasados.
Los reactores están diseñados para usar aproximadamente el 99% de neutrones rápidos y el 1% de neutrones retrasados, más o menos. Los neutrones rápidos nunca son suficientes para mantener la reacción en cadena por sí mismos. Debido a que los neutrones retrasados se retrasan, los sistemas de control físico, por ejemplo, ” barras de control ” y la ” retroalimentación negativa ” inherente pueden mantener estable la reacción en cadena.
El sistema de control más conocido son las barras de control. Son varillas hechas de material absorbente de neutrones que disminuyen la economía de neutrones del reactor. Empújelos y la reacción en cadena cesa inmediatamente. Sáquelos LENTAMENTE y la reacción en cadena comienza y se acelera hasta donde lo desee. Los neutrones retrasados hacen posible este control.
Es necesario extraer las barras de control de los reactores de combustible sólido a medida que pasa el tiempo porque el combustible se consume pero no se reemplaza. Además, los productos de fisión también alteran negativamente la economía de neutrones, por lo que debe extraer las varillas lentamente para compensar eso también. Eventualmente, puede tirar de las barras de control de manera segura sin más, por lo que es hora de apagar el reactor y repostarlo.
Los reactores de combustible líquido también usan una barra de control para que el reactor pueda apagarse rápidamente si es necesario. Y la varilla de control debe retirarse lentamente para comenzar la reacción en cadena y aumentar su potencia.
Sin embargo, todos los reactores de generación de energía tienen retroalimentación negativa inherente. Esta es una física básica y ocurre automáticamente sin intervención externa: cuando el nivel de potencia aumenta, la temperatura aumenta y eso disminuye automáticamente la reacción. ¿Cómo? Depende de qué tipo de reactor tengas.
En un combustible sólido, el reactor de agua a presión, el tipo más común utilizado hoy en día, a medida que el agua de enfriamiento se calienta, se expande. Esto significa que hay menos moléculas de agua en el núcleo del reactor donde está el combustible sólido. Además de alejar el calor del núcleo, el agua también disminuye la velocidad de los ” neutrones rápidos “, es decir, los neutrones que se mueven a alta velocidad (no es lo mismo que los “neutrones rápidos”). Los neutrones más lentos, también conocidos como ” neutrones térmicos “, tienen más probabilidades de ser capturados por los núcleos fisionables para continuar la reacción en cadena. Cuando el agua se expande debido a más calor, entonces hay menos agua en el núcleo, lo que hace que los neutrones no se desaceleren tanto, lo que dificulta que sean atrapados y continúen la reacción en cadena, por lo que menos núcleos se dividen y el agua se enfría. Nuevamente, es un sistema que funciona en física básica y no necesita control del operador.
En un reactor de combustible líquido a medida que el combustible se calienta, se expande, por lo que hay menos combustible en el núcleo, de modo que puede producirse menos fisión y el combustible se enfría nuevamente.