Fundamentos de la Fisión Nuclear y Componentes Esenciales del Reactor

Fundamentos de la Fisión Nuclear y Componentes del Reactor

Defecto Másico

El defecto másico se refiere a que la masa del núcleo atómico es menor que la suma de las masas de los nucleones (protones y neutrones) que lo constituyen. Esta diferencia de masa se convierte en energía de enlace según la ecuación de Einstein.

Energía de Enlace

Es la energía que se necesita para descomponer el núcleo en sus nucleones constituyentes. Recíprocamente, es la energía liberada al formar el núcleo a partir de A=Z+N nucleones. Se calcula mediante la relación de Einstein: E_enlace = Δm · c².

Energía de Enlace por Nucleón

Es la energía promedio que hay que aportar para extraer un nucleón del núcleo. Cuanto mayor sea esta energía por nucleón, más estable es el núcleo. Se calcula como: ε = E_enlace / A.

La Fisión Nuclear

Es la reacción nuclear en la que un núcleo pesado se rompe (debido a la ruptura del equilibrio entre las fuerzas de repulsión y atracción nucleares) en dos o más fragmentos, liberando una gran cantidad de energía (en forma de calor y radiación gamma) y neutrones. Típicamente, se liberan alrededor de 207 MeV por evento de fisión. La energía mínima necesaria para inducir la fisión se denomina Energía Umbral o Energía Crítica.

Existen dos tipos de materiales nucleares en relación con la fisión:

• Isótopos Fisibles: Necesitan una energía de neutrón muy baja (E < 1 eV) para la fisión.
• Isótopos Fisionables: Requieren neutrones de mayor energía (E < 0.6 eV, según el texto original).

El Reactor Nuclear

Es la instalación que permite mantener reacciones nucleares en cadena de manera controlada para la generación de energía.

Materiales y Componentes del Reactor

• Combustible

  Suele ser UO₂ (dióxido de uranio) en forma de pastillas cerámicas encapsuladas dentro de una vaina metálica. Posee un alto punto de fusión y una excelente capacidad para retener los productos de la fisión.

• Refrigerante

  Es el encargado de extraer el calor producido en la fisión. Debe poseer alta conductividad térmica, alto punto de ebullición, baja absorción de neutrones y estabilidad frente a la disociación por radiación o bombardeo de neutrones.

  • Agua Ligera (H₂O)

    Es el refrigerante más común en España. Presenta baja viscosidad, es económica, no es corrosiva y transmite bien el calor. Sin embargo, tiene un bajo punto de ebullición, lo que puede disminuir la eficiencia térmica al requerir operar a temperaturas muy altas. También tiende a activar las impurezas, por lo que requiere un tratamiento de purificación. Su uso exige uranio enriquecido.

  • Agua Pesada (D₂O)

    Posee propiedades similares al agua ligera, pero con mejores características de moderación, permitiendo el uso de uranio natural (sin enriquecer). No obstante, su coste es considerablemente más elevado.

  • Gases

    Presentan una baja transmisión de calor a bajas presiones, y operar a altas presiones es peligroso (ej. CO₂ y H₂). El helio es una opción, pero su disponibilidad es escasa.

• Moderador

  Se utiliza para reducir la energía cinética de los neutrones de fisión sin absorberlos, ya que los neutrones liberados en la fisión salen con demasiada energía para mantener la reacción en cadena. Ejemplos de materiales moderadores incluyen: H, He, Li, C, O. El agua pesada es el mejor moderador, pero es muy costosa. Los hidrocarburos son buenos, pero inestables frente a la radiación. En España, se utiliza principalmente H₂O ligera.

• Elementos de Control

  Se encargan de controlar la producción de potencia del reactor, ya que absorben neutrones y, al reducir su número, disminuyen la tasa de fisiones. Ejemplos comunes son el Boro (B) y el Cadmio (Cd).