Las reacciones de fisión nuclear controladas se utilizan para generar electricidad. Cualquier reactor nuclear que produzca energía a través de la fisión de uranio o plutonio por bombardeo con neutrones tieneseis componentes: El combustible nuclear compuesto de material fisionable, un moderador nuclear, una fuente de neutrones, barras de control, refrigerante del reactor, y un escudo y sistema de contención.

Combustibles nucleares

El combustible nuclear consiste en un isótopo fisionable, como el uranio-235, que debe estar presente en cantidad suficiente para proporcionar una reacción en cadena autosostenida. En la mayoría de los reactores de agua presurizados, cada conjunto de combustible consiste en barras de combustible que contienen muchos pellets de combustible del tamaño de un dedal, revestidos de cerámica, de uranio enriquecido (generalmente UO₂). Los reactores nucleares modernos pueden contener hasta 10 millones de pellets de combustible.

El uranio-235 es un combustible útil porque en promedio produce más de un neutrón por fisión, pero su abundancia natural es de alrededor del 0,7 por ciento en peso. La mayoría de los reactores de potencia requieren que su combustible sea enriquecido por lo menos de 5 a 3 por ciento de uranio-235 en peso.

Moderadores nucleares

Los neutrones producidos por las reacciones nucleares se mueven demasiado rápido para causar fisión U-235 de manera fiable. En primer lugar, deben ralentizarse para ser absorbidos por el combustible y producir reacciones nucleares adicionales. Un moderador nuclear es una sustancia que ralentiza los neutrones a una velocidad lo suficientemente baja como para causar fisión. Los primeros reactores utilizaban grafito de alta pureza como moderador. Los reactores modernos suelen utilizar agua pesada o agua ligera como moderadores.

Como los neutrones tienen un tamaño similar al de los núcleos de hidrógeno, cuando golpean los átomos de hidrógeno en las moléculas de agua, pierden una cantidad sustancial de energía cinética. El agua pesada es un mejor moderador, debido a que el deuterio ya tiene un neutrón y es poco probable que absorba otro neutrón de la manera que el hidrógeno-1 a veces lo hará. Los moderadores como el agua y el grafito también funcionan como un reflector de neutrones para mantener los neutrones en el núcleo en una distribución uniforme.

Fuente de neutrones

Aunque la fisión de uranio 238 y uranio 235 es espontánea, el proceso es impredecible, y estas fuentes intrínsecas generan muy pocos neutrones. Por lo tanto, un reactor requiere un emisor de neutrones para iniciar la reacción en cadena de la fisión. Una fuente de neutrones como el berilio-9, emparejada con un emisor alfa como el americio-249 o el plutonio-239, es intalada en un reactor con el fin de producir neutrones para iniciar la reacción en cadena.

Barras de control

El nivel de potencia del reactor se describe por el factor de multiplicación de neutrones, indicado por k. Es la relación entre el número de neutrones producidos por fisión en una generación y el número de neutrones producidos por fisión en la generación anterior.

Cuando k es inferior a 1, el reactor es subcrítico y la producción de energía está disminuyendo; cuando k es igual a 1, el reactor es crítico y la producción de energía es constante; y cuando k es mayor que 1, el reactor es supercrítico y la producción de energía está aumentando.

Los reactores nucleares utilizan barras de control para controlar la velocidad de fisión del combustible nuclear ajustando el número de neutrones lentos presentes para mantener la velocidad de reacción en cadena en un nivel seguro. Las barras de control están hechas de boro, cadmio, hafnio u otros elementos que pueden absorber neutrones.

Cuando los conjuntos de barras de control se insertan en el elemento de combustible en el núcleo del reactor, absorben una fracción mayor de los neutrones lentos, reduciendo así la velocidad de la reacción de fisión y disminuyendo la energía producida. Por el contrario, si se retiran las barras de control, se absorben menos neutrones y aumenta la velocidad de fisión y la producción de energía. En caso de emergencia, la reacción en cadena se puede detener insertando completamente todas las barras de control en el centro del núcleo entre las barras de combustible.

Refrigerantes del reactor

En un reactor de agua a presión, el refrigerante del reactor se utiliza para transportar el calor producido por la reacción de fisión a una caldera externa y una turbina, donde se transforma en electricidad. A menudo se utilizan dos bucles de refrigerante de intercambio térmico para evitar la transferencia de refrigerante contaminado a la turbina de vapor y a la torre de refrigeración. Más comúnmente, el agua se usa como refrigerante. Otros refrigerantes en reactores especializados incluyen sodio fundido, plomo, una mezcla de plomo-bismuto o sales fundidas. Una gran torre de refrigeración hiperboloide condensa el vapor en el circuito de refrigeración secundario y a menudo se encuentra a cierta distancia del reactor real.

Sistema de protección y contención

Los reactores de agua a presión están equipados con un sistema de contención (o escudo) que normalmente consta de tres partes: i) una capa de acero de 20 a 3 centímetros de grosor; el moderador de la capa absorbe gran parte de la radiación neutrónica producida por el reactor; (ii) un escudo principal de 1–3 metros de hormigón de alta densidad que absorbe los rayos γ y los rayos X; iii) blindaje adicional para absorber la radiación incidente de los procesos de blindaje de (i) y (ii). Además, los reactores de agua a presión a menudo están cubiertos con una cúpula de acero o concreto diseñada para contener cualquier material radiactivo que pueda ser liberado por un accidente del reactor.

Este texto es adaptado de Openstax, Química 2e, Sección 21.4: Transmutación y Energía Nuclear.