¿Cómo se controlan las reacciones en cadena de un reactor nuclear?

Answer 1

Existen numerosas formas de controlar la reacción en cadena en un reactor nuclear, algunas naturales basadas en la física del reactor y otras mediante sistemas de control diseñados. Básicamente, para controlar la reacción en cadena, debe controlar la cantidad de neutrones (para los reactores de agua ligera, la cantidad de neutrones térmicos). Esto se puede hacer con barras de control de absorción de neutrones o productos químicos absorbentes de neutrones agregados al refrigerante. También es un efecto natural que ocurre cuando el refrigerante / moderador se calienta y se vuelve menos denso. No tiene nada que ver, como se sugiere en otra respuesta, con neutrones rápidos y tardíos. Los neutrones retardados sí permiten que los sistemas de ingeniería actúen para controlar el reactor, pero TODOS los neutrones, rápidos y retardados, son moderados (ralentizados o térmicos). Como se describe en otra respuesta, en el proceso de fisión, se generan dos tipos de neutrones. Estos se llaman neutrones rápidos y tardíos. Los neutrones rápidos se generan en el evento de fisión real y aparecen dentro de 10E-14 segundos de la fisión. Esto es demasiado rápido para que responda cualquier sistema de control. Se dice que un reactor que se vuelve crítico o supercrítico solo en neutrones rápidos es rápido crítico o rápido supercrítico (Chernobyl se volvió rápido supercrítico y, en última instancia, permitió su destrucción). Los neutrones retardados se producen como resultado de la descomposición radiactiva de los productos de fisión (llamados precursores de neutrones retardados) y aparecen desde una fracción de segundo hasta aproximadamente un minuto después del evento de fisión. En física del reactor, nos referimos a la cantidad de neutrones retardados como la fracción de neutrones retardada. Es la fracción de neutrones retardada la que nos permite controlar la potencia del reactor y determina qué tan rápido proceden varios transitorios y accidentes. La idea es que el reactor se toma casi crítico con neutrones rápidos y luego se toma el resto del camino a crítico con neutrones retrasados.

Answer 2

La reacción en cadena en un reactor de fisión son los neutrones. Causan que el combustible nuclear se divida y luego genera más neutrones. Si tiene suficiente combustible, la reacción se escapa, si la amortigua puede evitarlo.

Esta amortiguación se realiza con barras de control (enlace de wikipedia y cita a continuación).

“ Las barras de control se usan en reactores nucleares para controlar la tasa de fisión del uranio y el plutonio. Están compuestos de elementos químicos como el boro, plata, indio y cadmio que son capaces de absorber muchos neutrones sin fisurarse. Debido a que estos elementos tienen diferentes secciones transversales de captura para neutrones de diferentes energías, la composición de las barras de control debe diseñarse para el espectro de neutrones del reactor ”.

Answer 3

Esta respuesta podría ser muy detallada, sin embargo, la mantendré simple para mayor claridad.
Supongo que está hablando del típico reactor refrigerado por agua. Es, con mucho, el diseño más común en el mundo.
Entonces, comenzamos seleccionando el combustible que queremos usar. La mayoría usa U235. Lo usamos porque es fácil de fisión.
Ok, para tener una reacción en cadena, necesitas tener neutrones libres, y deben tener la energía correcta. Cuando un neutrón es absorbido por 235, y se produce fisión, libera en promedio 2 neutrones. Pero son RÁPIDOS (tienen mucha energía) … demasiado para causar de manera confiable otra fisión. Tenemos que frenarlos. Usamos agua para frenarlos. Los neutrones colisionan con los átomos de H y disminuyen la velocidad hasta que son lo que llamamos “térmicos”, justo el nivel de energía adecuado para provocar otra fisión.
Entonces, tenemos que tener suficiente combustible juntos, y agua, para que ocurra la fisión.
Ahora, la parte de control!
Ahora, esta es una propiedad inherente de un reactor U235 moderado con agua ligera.
Hay 2 tipos de neutrones nacidos …
PROMPT (nacido inmediatamente de la fisión) y RETRASADO (nacido segundos después, de la descomposición de los productos de fisión)
Los neutrones RETRASADOS son la clave. Nacen con un nivel de energía más bajo, por lo que son más fáciles de termalizar. Por lo tanto, son los que causan la mayoría de las fisión. Debido a que se retrasan, la reacción en cadena se ralentiza hasta donde se controla fácilmente.
Ahora, el agua reduce la velocidad de los neutrones debido a colisiones. A medida que aumentamos la tasa de fisión, el combustible y el agua se calientan. Cuando el agua se calienta, se EXPANDE. Las moléculas de agua se separan más … esto significa que se ralentiza menos neutrón y la reacción en cadena se ralentiza. Esto se llama retroalimentación negativa … TAMBIÉN extremadamente importante en nuestro diseño.
Con esto en mente, tenemos que tener suficiente combustible para tener la cantidad correcta de fisiones para la temperatura del agua que queremos. Entonces, eso significa que tendremos demasiados neutrones cuando la energía sea baja.
Entonces, utilizamos barras de control hechas de materiales absorbentes de neutrones, y algunos de nosotros también tenemos ácido bórico disuelto en el agua para absorber los neutrones.
Variamos la cantidad de ácido bórico y las barras de control para asegurarnos de tener la cantidad adecuada de neutrones para la tasa de fisión que queremos.
Pero lo más importante que nos permite controlar un reactor son los neutrones RETRASADOS y la retroalimentación negativa.
Y sí, esta fue la respuesta SIMPLE … ¡jaja!

Answer 4

Solo hablaré sobre los reactores CANDU, ya que mi conocimiento (¡y no mucho!) Se centra principalmente en estos.

Como se explicó en las otras excelentes respuestas, el juego se trata de neutrones, específicamente los que podemos medir y reaccionar también (¡los lentos!). En el diseño CANDU, es muy difícil mantener el reactor en marcha, ya que (en términos simples) ¡quiere detenerse! Entonces, a menos que se tomen medidas para mantenerlo en funcionamiento, se vuelve subcrítico. Volviendo a la pregunta (¡me encantan estas cosas!). Cuando los neutrones pasan a través de nuestro sistema moderador (D2O Mod) en la calandria (piense en un gran tanque de agua), permite que los neutrones se vuelvan más lentos y se calientan, lo que permite que se acumule calor alrededor del combustible, que está en un conjunto de canales (piense tuberías horizontales que pasan horizontalmente a través del gran tanque de agua) con el refrigerante (D2O PHT) fluyendo, lo que elimina el calor, que a su vez va a las calderas para producir vapor del agua normal, que a su vez va a la turbina y vuelve a funcionar. y otra vez.

Ahora, el control en nuestros reactores se realiza mediante pequeños tanques de agua ligera dentro de la calandria, que tienen sus niveles regulados y terminan absorbiendo o no dichos neutrones. Entonces, al variar los niveles en los tanques, podemos ajustar con precisión la potencia en cada área de la calandra y luego, como suma, la potencia total.

Para apagar en una emergencia, o incluso normalmente, tenemos dos sistemas principales de apagado de seguridad llamados SDS1 y (curiosamente) SDS2. SDS1 utiliza barras de cierre por caída de gravedad que absorben los neutrones y nos llevan por debajo de los niveles críticos, en un tiempo muy muy rápido. El otro sistema SDS2, utiliza un gadolinio químico que se inyecta a alta presión en el agua del moderador en las calandrias. Esto también absorbe neutrones y se llama “envenenamiento”. Si se dispara este sistema, se necesitan aproximadamente dos días para eliminar este “veneno” a través de la filtración y entonces y solo entonces se puede lograr la criticidad. Esto nos permite reiniciar el reactor de forma lenta y segura, conocido como el “enfoque crítico”.

Deliberadamente, he mantenido esto en términos simples, ya que no soy tan inteligente para empezar (otros lo son) y creo firmemente que necesitamos explicar a la gente común cómo funcionan estas cosas, para avanzar en la comprensión de la generación pacífica de energía nuclear.

Answer 5

En los LWR (reactores de agua ligera), gran parte del control se basa en la retroalimentación negativa. Si la potencia aumenta en el núcleo debido a algún evento, digamos que la expulsión de la barra nunca sucedió hasta ahora, el núcleo se calienta. Esto conduce al calentamiento del combustible, lo que da como resultado un aumento en la absorción de neutrones parásitos. Esto también conduce al calentamiento del moderador y a un aumento adicional en la absorción de neutrones parásitos. Ambos conducen a una reducción de potencia.

En Chernobyl, no un LWR, violaron sus procedimientos y pusieron el núcleo en una condición donde hubo una retroalimentación positiva significativa: el poder aumentó y eso lo hizo aumentar más, y así sucesivamente.