Cómo construir un reactor nuclear
1. Reactor nuclear y sus componentes
Un reactor nuclear es un dispositivo capaz de mantener y controlar la reacción en cadena de la fisión nuclear para lograr la conversión de energía nuclear-energía térmica. El reactor nuclear es el corazón de una central nuclear, donde tiene lugar la reacción en cadena de la fisión nuclear.
En 1942, la Universidad de Chicago construyó el primer dispositivo de reacción en cadena autosostenible del mundo, iniciando una nueva era en la utilización de la energía nuclear.
El reactor consta de núcleo, sistema de refrigeración, sistema de moderación, capa reflectante, sistema de control y protección, sistema de blindaje, sistema de monitorización de radiación, etc.
Combustible en el núcleo: El combustible del reactor no es carbón ni petróleo, sino material fisible. El único material fisionable que se encuentra naturalmente en la naturaleza es el U-235, que contiene sólo un 0,711% de uranio natural. Los otros dos isótopos, el U-238 y el U-234, representan el 99,238% y el 0,0058% respectivamente. fácil de fisionar.
Además, existen dos materiales fisionables producidos por reactores o aceleradores, el U-233 y el Pu-239.
Utilizan estos materiales fisibles para fabricar metales, aleaciones metálicas, óxidos, carburos, etc. como combustible para reactores.
Revestimiento de combustible: para evitar que se escapen los productos de fisión, el combustible general debe envolverse en un revestimiento. Los materiales del revestimiento incluyen aluminio, aleación de circonio y acero inoxidable.
Barras de control y barras de seguridad en sistemas de control y protección: Para controlar la velocidad de la reacción en cadena a un nivel predeterminado, las barras de absorción deben estar hechas de materiales que absorban neutrones, llamadas barras de control. varillas de seguridad. La barra de control se utiliza para compensar el consumo de combustible y regular la velocidad de reacción; la barra de seguridad se utiliza para detener rápidamente la reacción en cadena. Los materiales absorbentes son generalmente boro, carburo de boro, cadmio, plata, indio y cadmio, etc. Refrigerante en el sistema de refrigeración: para eliminar el calor de fisión, el reactor debe tener un refrigerante. Los refrigerantes más utilizados incluyen agua ligera, agua pesada, helio y sodio metálico líquido.
Moderador en el sistema moderador: dado que es más probable que los neutrones lentos provoquen la fisión del uranio-235 y los neutrones se fisionen en neutrones rápidos, algunos reactores deben colocar neutrones en el moderador que pueden provocar la fisión de neutrones. El material que se ralentiza se llama moderador. Generalmente, los moderadores incluyen agua, agua pesada, grafito, etc.
Capa reflectante: La capa reflectante se sitúa alrededor de la zona activa y puede ser agua pesada, agua ligera, berilio, grafito u otros materiales. Puede reflejar los neutrones que escapan del área activa y reducir la cantidad de fuga de neutrones.
Sistema de blindaje: Se establece una capa de blindaje alrededor del reactor para reducir las dosis de neutrones y gamma.
Sistema de monitorización de radiación: Este sistema puede monitorizar y detectar fugas radiactivas de forma temprana.
2. Formas estructurales y clasificaciones de los reactores
Las formas estructurales de los reactores son variadas, dependiendo del tipo de combustible, tipo de refrigerante, forma de distribución de la energía de neutrones, necesidades especiales de diseño, etc. Los factores se pueden incorporar en reactores de varios tipos de estructuras. Actualmente existen miles de reactores grandes y pequeños en el mundo, y sus clasificaciones también son diversas. Según la energía, existen reactores térmicos y reactores rápidos que provocan fisión por neutrones térmicos y neutrones rápidos; según los refrigerantes, se dividen en reactores de agua ligera, concretamente reactores de agua ordinaria (también se dividen en reactores de agua a presión y reactores de agua en ebullición), reactores de agua pesada, reactores refrigerados por gas y reactores refrigerados por sodio. Según su finalidad, son: (1) Reactor de prueba de investigación: se utiliza para estudiar las características de los neutrones, utilizándolos para realizar investigaciones sobre física, biología, protección radiológica y ciencia de materiales (2) Reactor de producción, principalmente para producir nuevos materiales fisionables; uranio-233 y plutonio-239; (3) Reactores de potencia, que utilizan la energía térmica generada por la fisión nuclear para utilizarla ampliamente en la propulsión de barcos y la generación de energía nuclear. La clasificación de los reactores se muestra en la siguiente tabla.
3. Reactores experimentales de investigación
Se refiere a los reactores utilizados como herramientas de investigación experimental. No incluye los reactores construidos para la investigación y el desarrollo de tipos de reactores específicos y que son en sí mismos objetos de investigación. tales como reactor prototipo, reactor de potencia cero, varios reactores modelo, etc. El campo de investigación experimental del reactor experimental de investigación es muy amplio e incluye física de reactores, ingeniería de reactores, biología, química, física, medicina, etc. Al mismo tiempo, también puede producir diversos isótopos radiactivos y capacitar al personal científico y técnico del reactor. Hay muchos tipos de reactores de investigación y experimentales, como los reactores de investigación y experimentales de tipo piscina: en este tipo de reactor, el agua no sólo sirve como moderador, capa reflectante y refrigerante, sino que también desempeña un importante papel de protección. Recibe su nombre porque la piscina a menudo tiene una forma oblonga similar a una piscina.
Reactor experimental y de investigación tipo tanque: dado que solo se pueden lograr temperaturas de funcionamiento más altas y mayores caudales de refrigerante en un sistema presurizado, se debe adoptar una estructura tipo tanque presurizado.
Reactor Experimental de Investigación de Agua Pesada: El agua pesada tiene una pequeña sección transversal de absorción de neutrones, lo que permite el uso de combustible de uranio natural. Se caracteriza por una gran masa crítica y una baja densidad de flujo de neutrones. Si desea reducir la masa crítica y obtener una alta densidad de flujo de neutrones, utilice uranio enriquecido en lugar de uranio natural.
Además, existen reactores experimentales y de investigación de moderador sólido, reactores experimentales y de investigación homogéneos, reactores experimentales de neutrones rápidos, etc.
4. Reactores de producción
Utilizados principalmente para producir materiales fisionables u otros materiales, o para irradiación a escala industrial. Los reactores de producción incluyen reactores productores de plutonio, reactores productores de tritio, reactores productores de plutonio y reactores productores de tritio de doble uso, reactores de producción de isótopos y reactores de irradiación a gran escala, a menos que se especifique lo contrario, los reactores de producción generalmente se refieren a reactores productores de plutonio. El reactor tiene una estructura simple y los elementos combustibles del reactor de producción son a la vez combustible y materia prima para la producción de plutonio-239. Los neutrones proceden del U-235 en componentes fabricados a partir de uranio natural. El rendimiento de neutrones de la fisión del U-235 es 2-3. Además de los neutrones necesarios para mantener la reacción de fisión, los neutrones restantes son absorbidos por el U-238 y pueden convertirse en Pu-239. En promedio, se pueden obtener 0,8 átomos de plutonio quemando un átomo de U-235. Los reactores de producción también pueden utilizarse para producir tritio, un combustible termonuclear. La producción de tritio en los reactores de producción de agua pesada es siete veces mayor que la de los reactores de producción de grafito.
5. Reactor de potencia
Los reactores de potencia del mundo se pueden dividir en reactores de potencia submarinos y reactores de generación de energía comerciales. Los submarinos nucleares suelen utilizar reactores de agua a presión como centrales eléctricas. Los reactores utilizados en las centrales nucleares a escala comercial incluyen principalmente reactores de agua a presión, reactores de agua en ebullición, reactores de agua pesada, reactores refrigerados por gas grafito y reactores rápidos.